Вентильные металлы что это такое
Обновлено: 05.07.2024
Ученые «Станкина» усовершенствовали технологию износостойких покрытий для нужд оборонной промышленности
В МГТУ «Станкин» создана установка для нанесения покрытий на изделия специального назначения. Технология микродугового оксидирования, на которой работает установка, экологически безопасна.
Фото: Предоставлено пресс-службой МГТУ Станкин
В основе технологии лежат особенности вентильных металлов. Вентильными принято называть металлы, оксиды которых образуют пленки, такие, что их проводимость в противоположных направлениях сильно различается (это и есть вентильное свойство). Типичные представители — алюминий, тантал, титан, ниобий, цирконий. Пленка имеет иные физико-химические свойства, чем сам металл: она тверже, устойчивее к коррозии и износу.
Благодаря использованию технологии микродугового оксидирования поверхность металлического изделия становится более прочной и более устойчивой к любым внешним воздействиям — в частности, к трению. «Новое» покрытие по некоторым параметрам похоже на керамику: оно обладает теплозащитными, диэлектрическими и антикоррозионными свойствами. «Именно такие характеристики покрытий сегодня востребованы в кораблестроении, авиастроении, ракетостроении»,— объясняет ведущий научный сотрудник лаборатории искрового плазменного спекания Центра новых материалов и технологий МГТУ «Станкин», кандидат технических наук Павел Перетягин. Индустриальным партнером ученых в этом проекте стало АО «РКБ “Глобус”», входящее в АО «Корпорация “Тактическое ракетное вооружение”».
Технология микродугового оксидирования была разработана еще в СССР в качестве альтернативы хорошо известной и широко используемой гальванизации. В отличие от последней, технология микродугового оксидирования безвредна для окружающей среды. Если в качестве проводящей среды при гальванизации используются сильнодействующие ядовитые кислоты, опасные для персонала, то для микродугового оксидирования нужен всего лишь слабый щелочной раствор, по составу схожий с мыльным раствором в бытовой стиральной машинке, говорит Павел Перетягин.
Еще одно ноу-хау «Станкина» — усовершенствованное программное обеспечение на базе адаптивного управления, которое позволило автоматизировать процесс оксидирования и применить его к индивидуальным свойствам обрабатываемых материалов.
По мнению ученых, в перспективе усовершенствованную технологию можно внедрить в промышленное использование и применять при производстве гражданской продукции. Схожие технологии периодически пытаются применять зарубежные производители электронной техники — например, для придания большей прочности поверхностям ноутбуков и смартфонов. Но из-за дороговизны технологии такая продукция значительно дороже обычных гаджетов и не пользуется массовым спросом. Поэтому пока основные заказчики ученых — оборонно-промышленный комплекс.
К настоящему времени ученые МГТУ «Станкин» завершили первый этап доработки технологии микродугового оксидирования под нужды современного оборонного комплекса — разработали эскизный проект установки нанесения керамоподобных покрытий и создали ее опытный образец. Он успешно прошел все необходимые испытания, и в ближайшее время специалисты «Станкина» совместно с коллегами из РКБ «Глобус» приступят к созданию промышленных образцов установок нанесения керамоподобных покрытий.
Электрохимия фотонных кристаллов
В последнее десятилетие развитие микроэлектроники затормозилось, поскольку уже практически достигнуты ограничения по быстродействию стандартных полупроводниковых устройств. Все большее число исследований посвящается разработке альтернативных полупроводниковой электронике областей - это спинтроника, микроэлектроника со сверхпроводящими элементами, фотоника и некоторые другие.
Новый принцип передачи и обработки информации с помощью светового, а не электрического сигнала может ускорить наступление нового этапа информационного века.
Anodic titanium oxide photonic crystals prepared by novel cyclic anodizing with voltage versus charge modulation Н.А. Саполетова (Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова) С.Е. Кушнир (Химический факультет и Факультет наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова) К.С. Напольский (Химический факультет и Факультет наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова) Electrochemistry Communications, Volume 91, June 2018, Pages 5-9
Фото: SCIENCE PHOTO LIBRARY / R3F / AFP
От простых кристаллов к фотонным
Основой электронных устройств будущего могут стать фотонные кристаллы - это синтетические упорядоченные материалы, в которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется внутри структуры. В кристаллической решетке традиционного полупроводника регулярность, периодичность расположения атомов приводит к образованию так называемой зонной энергетической структуры - с разрешенными и запрещенными зонами. Электрон, энергия которого попадает в разрешенную зону, может передвигаться по кристаллу, а электрон с энергией в запрещенной зоне оказывается "запертым".
По аналогии с обычным кристаллом возникла идея кристалла фотонного. В нем периодичность диэлектрической проницаемости обуславливает возникновение фотонных зон, в частности, запрещенной, в пределах которой распространение света с определенной длиной волны подавлено. То есть, будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с выделенной длиной волны (равной удвоенному периоду структуры по длине оптического пути).
Фотонные кристаллы могут иметь различную размерность. Одномерные (1D) кристаллы представляют собой многослойную структуру из чередующихся слоев с разными показателями преломления. Двумерные фотонные кристаллы (2D) можно представить в виде периодической структуры из стержней с разной диэлектрической проницаемостью. Первые синтетические прообразы фотонных кристаллов были трехмерными и созданы еще в начале 1990-х годов сотрудниками исследовательского центра Bell Labs (США). Для получения периодической решетки в диэлектрическом материале американские ученые высверливали цилиндрические отверстия таким образом, чтобы получить трехмерную сеть пустот. Для того, чтобы материал стал фотонным кристаллом, его диэлектрическая проницаемость была модулирована с периодом в 1 сантиметр во всех трех измерениях.
Но и сегодня, даже с помощью самых современных и дорогостоящих методов электронной литографии и анизотропного ионного травления, с трудом удается изготовить бездефектные трехмерные фотонные кристаллы с толщиной более 10 структурных ячеек.
Фотонные кристаллы должны найти широкое применение в фотонных интегральных технологиях, которые в перспективе заменят электрические интегральные схемы в компьютерах. При передаче информации с использованием фотонов вместо электронов резко сократится энергопотребление, увеличатся тактовые частоты и скорость передачи информации.
Природными аналогами фотонных кристаллов являются перламутровые покрытия раковин (1D), усики морской мыши, многощетинкового червя (2D), крылья африканской бабочки-парусника и полудрагоценные камни, например, опал (3D).
Фотонный кристалл из оксида титана
Оксид титана TiO2 обладает набором уникальных характеристик, таких как высокий показатель преломления, химическая стабильность и низкая токсичность, что делает его наиболее перспективным материалом для создания одномерных фотонных кристаллов. Если рассматривать фотонные кристаллы для солнечных батарей, то здесь оксид титана выигрывает из-за своих полупроводниковых свойств. Ранее было продемонстрировано увеличение КПД солнечных элементов при использовании слоя полупроводника с периодической структурой фотонного кристалла, в том числе фотонных кристаллов из оксида титана.
Рис. 1. Изображение поперечного сечения микроструктуры фотонного кристалла из анодного оксида титана. Фотонный кристалл состоит из трубок с одинаковым внешним диаметром. В правом нижнем углу видна рассеченная трубка, внутренний диаметр которой периодически изменяется.
Но пока применение фотонных кристаллов на основе диоксида титана ограничивается отсутствием воспроизводимой и недорогой технологии их создания.
Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ - Нина Саполетова, Сергей Кушнир и Кирилл Напольский - усовершенствовали синтез одномерных фотонных кристаллов на основе пористых пленок оксида титана.
"Анодирование (электрохимическое окисление) вентильных металлов, в том числе алюминия и титана, является эффективным методом получения пористых оксидных пленок с каналами нанометрового размера", - пояснил руководитель группы электрохимического наноструктурирования, кандидат химических наук Кирилл Напольский.
Анодирование обычно проводят в двухэлектродной электрохимической ячейке. В раствор электролита опускают две металлические пластины - катод и анод, и подают электрическое напряжение. На катоде выделяется водород, на аноде происходит электрохимическое окисление металла. Если периодически менять прикладываемое к ячейке напряжение, то на аноде формируется пористая пленка с заданной по толщине пористостью.
Эффективный показатель преломления будет модулироваться, если диаметр пор будет периодически меняться внутри структуры. Разработанные ранее методики анодирования титана не позволяли получать материалы с высокой степенью периодичности структуры. Химики из МГУ разработали новый способ анодирования металла с модуляцией напряжения в зависимости от заряда анодирования, который позволяет с высокой точностью создавать пористые анодные оксиды металлов. Возможности новой методики химики продемонстрировали на примере одномерных фотонных кристаллов из анодного оксида титана.
В результате изменения напряжения анодирования по синусоидальному закону в диапазоне 40-60 Вольт ученые получили нанотрубки анодного оксида титана с постоянным внешним диаметром и периодически изменяющимся внутренним диаметром (см. рисунок).
"Применяемые ранее методики анодирования не позволяли получать материалы с высокой степенью периодичности структуры. Мы разработали новую методику, ключевым составляющим которой является in situ (непосредственно во время синтеза) измерение заряда анодирования, что позволяет с высокой точность контролировать толщину слоев с различной пористостью в формируемой оксидной пленке", - пояснил один из авторов работы, кандидат химических наук Сергей Кушнир.
Разработанная методика упростит создание новых материалов с модулированной структурой на основе анодных оксидов металлов. "Если в качестве практического использования методики рассматривать применение в солнечных батареях фотонных кристаллов из анодного оксида титана, то еще предстоит провести систематическое исследование влияния структурных параметров таких фотонных кристаллов на эффективность преобразования света в солнечных батареях", - уточнил Сергей Кушнир.
Николай Козин, аспирант Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
Вентильные металлы
Вентильными металлами принято называть металлы, оксиды которых образуют пленки такие, что из проводимость в противоположных направлениях сильно различается (это и есть "вентильное" свойство). Типичные представители - алюминий, тантал, титан, ниобий.
Фотоника, спинтроника и другие оники
Электроника называется так потому, что агентом, передающим сигнал в "электронных" приборах, являются электроны. Развитие технологий миниатюризации превратило ее во второй половине XX века в микроэлектронику, но электроны остались теми же самыми. И в этом отношении ультрасовременные гаджеты и суперкомпьютеры ничем не отличаются от довоенного лампового приемника.
Но, кроме электронов, в микромире есть и другие частицы, а также квазичастицы (квазичастица - это квантовый объект, в некоторых отношениях подобный частице, но не являющийся ею в точном смысле слова). Использование каждой из них для передачи сигнала потенциально может к построению новой ветви приборостроения. Во всех этих направлениях ведутся энергичные теоретические и экспериментальные исследования. Вот главные (квази)частицы приборов будущего:
Фононика. Фонон - это квант колебаний кристаллической решетки.
Магноника. Магнон - квант колебаний взаимодействующих квантовых магнитов (магнитных моментов). Соответственно, магноны характерны для магнитных веществ.
Фотоника . Фотон - квант колебаний электромагнитного поля (в, частности, света). Термин "фотоника" употребляется и в более широком смысле как вообще наука о свойствах фотонов.
Плазмоника. Плазмоны родственны электронам, но это не сами электроны, а кванты коллективных колебаний электронного газа в твердом теле.
Спинтроника также использует в качестве переносчика сигнала электроны, но эксплуатируется не заряд, как в обычной электронике, а магнитный момент (спин) электрона.
В обычной микроэлектронике выделяют также раздел "микроэлектроника со сверхпроводящими элементами", поскольку свойства электронов в сверхпроводящем состоянии радикально отличаются от стандартных.
Перечисленные выше - это канонические квантовые объекты, известные давно, но еще не нашедшие массовых технологических применений. В последние же годы обнаружено несколько новых, экзотических квазичастиц, и с каждой из них немедленно возникает новая "оника". Так обсуждается возможность использования в микроприборах, компьютерах, в том числе квантовых, и элементах памяти скирмионов (это двумерный магнитный вихрь), бобберов (трехмерный родственник скирмиона) и майорановских возбуждений (а это вообще в трех словах не описать).
В последнее десятилетие развитие микроэлектроники затормозилось, поскольку уже практически достигнуты ограничения по быстродействию стандартных полупроводниковых устройств. Все большее число исследований посвящается разработке альтернативных полупроводниковой электронике областей — это спинтроника, микроэлектроника со сверхпроводящими элементами, фотоника и некоторые другие.
Основой электронных устройств будущего могут стать фотонные кристаллы — это синтетические упорядоченные материалы, в которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется внутри структуры. В кристаллической решетке традиционного полупроводника регулярность, периодичность расположения атомов приводит к образованию так называемой зонной энергетической структуры — с разрешенными и запрещенными зонами. Электрон, энергия которого попадает в разрешенную зону, может передвигаться по кристаллу, а электрон с энергией в запрещенной зоне оказывается «запертым».
Фотонные кристаллы могут иметь различную размерность. Одномерные (1D) кристаллы представляют собой многослойную структуру из чередующихся слоев с разными показателями преломления. Двумерные фотонные кристаллы (2D) можно представить в виде периодической структуры из стержней с разной диэлектрической проницаемостью. Первые синтетические прообразы фотонных кристаллов были трехмерными и созданы еще в начале 1990-х годов сотрудниками исследовательского центра Bell Labs (США). Для получения периодической решетки в диэлектрическом материале американские ученые высверливали цилиндрические отверстия таким образом, чтобы получить трехмерную сеть пустот. Для того, чтобы материал стал фотонным кристаллом, его диэлектрическая проницаемость была модулирована с периодом в 1 сантиметр во всех трех измерениях.
Природными аналогами фотонных кристаллов являются перламутровые покрытия раковин (1D), усики морской мыши, многощетинкового червя (2D), крылья африканской бабочки парусника и полудрагоценные камни, например, опал (3D).
Фотоника, спинтроника и другие «оники»
Электроника называется так потому, что агентом, передающим сигнал в «электронных» приборах, являются электроны. Развитие технологий миниатюризации превратило ее во второй половине XX века в микроэлектронику, но электроны остались теми же самыми. И в этом отношении ультрасовременные гаджеты и суперкомпьютеры ничем не отличаются от довоенного лампового приемника.
Но, кроме электронов, в микромире есть и другие частицы, а также квазичастицы (квазичастица — это квантовый объект, в некоторых отношениях подобный частице, но не являющийся ею в точном смысле слова). Использование каждой из них для передачи сигнала потенциально может к построению новой ветви приборостроения. Во всех этих направлениях ведутся энергичные теоретические и экспериментальные исследования. Вот главные (квази)частицы приборов будущего:
Фононика. Фонон — это квант колебаний кристаллической решетки.
Магноника. Магнон — квант колебаний взаимодействующих квантовых магнитов (магнитных моментов). Соответственно, магноны характерны для магнитных веществ.
Фотоника. Фотон — квант колебаний электромагнитного поля (в, частности, света). Термин «фотоника» употребляется и в более широком смысле как вообще наука о свойствах фотонов.
Плазмоника. Плазмоны родственны электронам, но это не сами электроны, а кванты коллективных колебаний электронного газа в твердом теле.
Спинтроника также использует в качестве переносчика сигнала электроны, но эксплуатируется не заряд, как в обычной электронике, а магнитный момент (спин) электрона.
В обычной микроэлектронике выделяют также раздел «микроэлектроника со сверхпроводящими элементами», поскольку свойства электронов в сверхпроводящем состоянии радикально отличаются от стандартных.
Перечисленные выше — это канонические квантовые объекты, известные давно, но еще не нашедшие массовых технологических применений. В последние же годы обнаружено несколько новых, экзотических квазичастиц, и с каждой из них немедленно возникает новая «оника». Так обсуждается возможность использования в микроприборах, компьютерах, в том числе квантовых, и элементах памяти скирмионов (это двумерный магнитный вихрь), бобберов (трехмерный родственник скирмиона) и майорановских возбуждений (а это вообще в трех словах не описать).
Оксид титана TiO2 обладает набором уникальных характеристик, таких как высокий показатель преломления, химическая стабильность и низкая токсичность, что делает его наиболее перспективным материалом для создания одномерных фотонных кристаллов. Если рассматривать фотонные кристаллы для солнечных батарей, то здесь оксид титана выигрывает из-за своих полупроводниковых свойств. Ранее было продемонстрировано увеличение КПД солнечных элементов при использовании слоя полупроводника с периодической структурой фотонного кристалла, в том числе фотонных кристаллов из оксида титана.
Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ — Нина Саполетова, Сергей Кушнир и Кирилл Напольский — усовершенствовали синтез одномерных фотонных кристаллов на основе пористых пленок оксида титана.
«Анодирование (электрохимическое окисление) вентильных металлов, в том числе алюминия и титана, является эффективным методом получения пористых оксидных пленок с каналами нанометрового размера», — пояснил руководитель группы электрохимического наноструктурирования, кандидат химических наук Кирилл Напольский.
Вентильные металлы
Вентильными металлами принято называть металлы, оксиды которых образуют пленки такие, что из проводимость в противоположных направлениях сильно различается (это и есть «вентильное» свойство). Типичные представители — алюминий, тантал, титан, ниобий.
Анодирование обычно проводят в двухэлектродной электрохимической ячейке. В раствор электролита опускают две металлические пластины — катод и анод, и подают электрическое напряжение. На катоде выделяется водород, на аноде происходит электрохимическое окисление металла. Если периодически менять прикладываемое к ячейке напряжение, то на аноде формируется пористая пленка с заданной по толщине пористостью.
Anodic titanium oxide photonic crystals prepared by novel cyclic anodizing with voltage versus charge modulation // Electrochemistry Communications, Volume 91, June 2018, Pages 5–9.
Авторы: Н. А. Саполетова (химический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова), С. Е. Кушнир (химический факультет и факультет наук о материалах МГУ им. М. В. Ломоносова), К. С. Напольский (химический факультет и факультет наук о материалах МГУ им. М. В. Ломоносова).
Рис. 1. Изображение поперечного сечения микроструктуры фотонного кристалла из анодного оксида титана. Фотонный кристалл состоит из трубок с одинаковым внешним диаметром. В правом нижнем углу видна рассеченная трубка, внутренний диаметр которой периодически изменяется
В результате изменения напряжения анодирования по синусоидальному закону в диапазоне 40–60 Вольт ученые получили нанотрубки анодного оксида титана с постоянным внешним диаметром и периодически изменяющимся внутренним диаметром (см. рисунок).
«Применяемые ранее методики анодирования не позволяли получать материалы с высокой степенью периодичности структуры. Мы разработали новую методику, ключевым составляющим которой является in situ (непосредственно во время синтеза) измерение заряда анодирования, что позволяет с высокой точность контролировать толщину слоев с различной пористостью в формируемой оксидной пленке», — пояснил один из авторов работы, кандидат химических наук Сергей Кушнир.
Разработанная методика упростит создание новых материалов с модулированной структурой на основе анодных оксидов металлов. «Если в качестве практического использования методики рассматривать применение в солнечных батареях фотонных кристаллов из анодного оксида титана, то еще предстоит провести систематическое исследование влияния структурных параметров таких фотонных кристаллов на эффективность преобразования света в солнечных батареях», — уточнил Сергей Кушнир.
Тантал: факты и фактики
Кто нашел тантал? Это сделал швед Андерс Густав Экеберг, который после окончания в 1748 году Упсальского университета заинтересовался минералогией и открытием элементов. Например, он внес свой вклад в идентификацию бериллия в изумруде и берилле, подтвердил открытие гадолиния в черном минерале из карьера вблизи шведского Иттербю. В другом же минерале из Иттербю (сейчас его называют иттротанталит) исследователь и обнаружил новый элемент, который не удалось растворить ни в какой кислоте. Подивившись такой стойкости, Экеберг — а он с детства увлекался рассказами про древнегреческих героев — в 1802 году назвал новый элемент в честь сына Зевса Тантала, обреченного вечно претерпевать невыносимые страдания от жажды и голода.
Открытие Экеберга попытался закрыть англичанин Уильям Волластон: в 1806 году он утверждал, что нет разницы между танталом и ранее открытым колумбием. И это неудивительно, ведь различие между этими элементами ничтожно. Только в 1844 году немец Генрих Розе сумел распознать, что колумбий проявляет две степени окисления — +3 и +5, а вот тантал — только последнюю. Розе и переназвал колумбий ниобием в честь дочери Тантала — Ниобы, чем обеспечил изрядную путаницу: ИЮПАК только в 1943 году принял название Розе, американцы же до сих пор именуют спутника тантала колумбием. Надежно разделить эти два элемента, которые обязательно вместе присутствуют в минералах, сумел в 1866 году швейцарец Жан Маринья. Он использовал ничтожное химическое различие и заставил ниобий сформировать соль K2NbOF7, а тантал — K2TaF7. Растворимость первой гораздо выше, чем второй, отчего стало возможным разделение этих элементов. Как бы то ни было, отцом тантала считают Экеберга и танталовой медалью с его профилем награждают за успехи в изучении этого элемента.
Откуда берется тантал? Из минералов, которые могут быть двух типов. Во-первых, те, что содержат тантал и ниобий. Если первого больше — это танталит, если второго — колумбит. Во-вторых, там может быть еще и титан; примером служит добываемый в Кольской области лопарит. Для производства тантала идет минерал с содержанием этого элемента в 20–30%. Когда там есть ниобий (а он обязательно есть), то его в расчет цены не принимают. Аналогично за колумбит, содержащий более 50% ниобия, платят только в соответствии с его содержанием, тантал же в цену не включают. Если переработчикам удается извлечь такой, сопутствующий, элемент, он им достается в качестве подарка. Однако у тантала есть еще спутники, крайне неприятные, — уран и торий. Из-за присущей им радиоактивности перевозить танталовый и ниобиевый концентраты приходится с повышенными мерами предосторожности. Главный источник тантала — Бразилия, где расположена крупнейшая шахта по добыче танталита — Мибра. Из нее ежегодно извлекают 220 тонн пентоксида тантала, или 15% современной мировой добычи. А совсем недавно ее доля была лишь 5–10% — кризис 2008 года сильно ударил по танталовой промышленности, и были закрыты шахты в Австралии, Канаде, Мозамбике. А в 2012 году из-за проблем с транспортировкой прекратила работать шахта и в Эфиопии: порты находятся в Сомали, а там гражданская война и пираты. Поэтому сейчас из крупных шахт остались еще Питинга в той же Бразилии, Ичунь в КНР и российская Ловозеро.
Как обстоит дело с производством тантала в РФ? На Соликамском магниевом комбинате из лопаритового концентрата, добытого на шахте в Ловозере, получают практически весь отечественный тантал — 50 тонн в год в виде пентоксида тантала, который идет на производство электрических конденсаторов и твердых сплавов. До 1992 года советское производство тантала было сосредоточено на Ульбинском металлургическом заводе в Усть-Каменогорске, и в 1992 году он выдал 200 тонн металла в виде разного вида проката, однако впоследствии предприятие стало испытывать существенные трудности. Был еще завод в эстонском Силламяэ, но он отказался от лопарита из-за радиоактивности и сейчас выпускает 60 тонн тантала из бразильского и африканского сырья. О непростой судьбе отечественного танталового производства можно составить представление, проследив за историей Ловозерского горно-обогатительного комбината, которая изложена на сайте этого предприятия. Вот как она выглядит в кратком виде. Разрабатываемое им месторождение находится в заполярной тундре между Ловозером и Умбозером в Мурманской области. Геологи нашли его в середине 30-х, а в 1940 году заработала небольшая фабрика на северном склоне горы Аллуайв — фабрику и назвали по имени горы. В апреле 1941 года было принято решение о создании крупного металлургического комбината, для чего на строительство направили 17 тысяч заключенных — военнослужащих, побывавших в плену в ходе Финской кампании. Но вскоре началась война, строителей забрали на фронт, а неподалеку, в районе Сейдозера, организовали базу партизанского отряда. Только в 1947 году стройку Аллуайвского комбината возобновили, и в 1951 году он выдал первый лопаритовый концентрат. Производство быстро развивалось, были освоены два рудника — Карнасурт и Умбозерский, на западном склоне горы; построен поселок Ревда со школами, в том числе музыкальной, детскими садами и больницей. В 1957 запущен цех щелочных металлов, который выпускал особо чистые металлы, однако основную прибыль приносило выращивание монокристаллов из их соединений. Были открыты уникальные минералогические объекты — пегматитовые жилы, одна из которых получила характерное название — Шкатулка. Дело в том, что пегматит — это вулканическая лава, которая застывала в последнюю очередь; сформировавший ее расплав обогащен тугоплавкими элементами, и они порождают драгоценные камни и другие интересные минералы. Минералы, сложенные в Шкатулке, были уникальны; она известна геологам всего мира и представляет собой геологический памятник.
Но вот пришел 1991 год. С распадом СССР были разрушены производственные цепочки и комбинат остался без потребителей. Предприятие стало работать вполсилы, многие производства были закрыты. Цех щелочных металлов перешел на выпуск сувениров. К 1998 году кризис дошел до того, что работники комбината стали получать гуманитарную помощь из-за рубежа. Бедственное положение привело к массовым акциям протеста, и они дали некоторый успех: в результате переговоров правительственным чиновникам удалось наладить поставку лопаритового концентрата на Соликамский магниевый завод. Для выполнения контракта стали реанимировать один из рудников — Карнасурт. Вот как об этом вспоминает начальник обогатительной фабрики «Умбозеро» И. Б. Конюхов: «У нас кампания по запуску карнасуртской фабрики в шутку называлась „факельным шествием“. Мороз, костры в цехе, а люди с факелами ходят, чтобы замерзшие трубы отогреть. Фабрика уже, по сути, два лета подряд не крутилась, неизвестно было, где какой металл „устал“, как поведет себя под нагрузкой. В кратчайшие сроки специалисты привели хозяйство в норму». Однако с возобновлением производства бедствия не закончились. Так, в сентябре 2009 года через устье ствола шахты рудника Умбозеро хлынула вода — за месяц до этого из-за банкротства рудника на нем отключили электричество и, соответственно, насосы. Шахтные воды заполнили нижние горизонты и выходили на поверхность через транспортные ходы. Так была затоплена знаменитая Шкатулка. Тем не менее в 2008 году производство вышло на стабильный уровень в 9 тысяч тонн ежегодно, что весьма примечательно, если вспомнить печальную судьбу шахт Австралии, Канады, Мозамбика, закрытых как раз после 2008 года.
Теплообменник с танталовыми трубами
Где еще добывают тантал? Есть два важных источника. Первый — мелкие шахты, копанки, — кустарные разработки, которыми занимаются жители Демократической Республики Конго. Считается, что объем такого, добытого вручную из речных наносов, танталита, значительный, однако точных подсчетов сделать невозможно. Такой способ добычи, конечно, опасен для здоровья людей, ведь танталит радиоактивен. Но это не главная беда. Проблема в том, что доход от продажи танталита долгое время шел на финансирование деятельности военных Руанды, которые во время многолетнего конфликта поддерживали повстанцев из племени тутси в их борьбе с конголезским правительством. Этот конфликт унес с 1998 года почти 6 млн жизней людей. Побочной жертвой конфликта оказались гориллы — залежи танталита распложены как раз в местах их обитания. Национальные парки, созданные для защиты горилл, были разграблены, а самих животных работники рудников время от времени отстреливают и употребляют в пищу. Мировое сообщество пытается бороться с конголезским копанками, однако не очень успешно — видимо, у такого тантала очень привлекательная цена.
Второй важный источник: вторсырье. После кризиса 2008 года его доля заметно выросла и составляет сейчас 30% от общего объем производства. Получают тантал и при переработке шлака, образующегося от выплавки олова, а плавят его в Бразилии, Малайзии и Таиланде: такой шлак дает до 20% металлического тантала.
Как выделяют тантал из руды? Сложным химическим процессом. Концентрат можно обработать кислотами — серной и плавиковой, получить раствор, где будет множество элементов — от урана и тория до тантала и ниобия; затем в несколько стадий раствор разделяют. А можно превратить тантал-ниобий-титан в газ за счет реакции с хлором и уже затем эти газы как разделять между собой, так и очищать от опасных примесей вроде того же тория. На выходе получается порошок металла, который либо сразу используют, либо сначала чистят, а потом пускают в дело.
Где применяют тантал? У него есть три большие области использования. Прежде всего, это электроника. Из тантала делают прекрасные электрические конденсаторы, при этом обкладками служит металлический тантал, а разделяющим их диэлектриком — его оксид. Миниатюрные — толщина слоя оксида исчисляется нанометрами, выдерживающие высокие вибрации, работающие при температуре от −55 до 200°C, они есть везде. Это слуховые аппараты, системы активации подушек безопасности автомобиля и прочая автоэлектроника, приемники GPS, ноутбуки, смартфоны, видеокамеры, телевизоры — список далеко не полон. Оксид титана входит в состав стекол для оптики — от видеокамер до тех же телефонов: у такого стекла высокие показатели преломления, что позволяет уменьшать толщину линз. Вторая важная область — химически стойкое оборудование. Из тантала делают трубопроводы, теплообменники, сосуды для химической промышленности — по своей стойкости он соперничает со стеклом, многократно превосходя его по механическим свойствам. Тантал же незаменимый компонент жаростойких никелевых сверхсплавов для турбин электростанций и реактивных двигателей, его содержание в них может достигать 10%. Еще тантал вместе с вольфрамом входит в состав быстрорежущих сплавов и других твердых материалов. А третья важная область — это медицина, а именно изготовление имплантов. Медиков в тантале привлекают два обстоятельства: его высочайшая коррозионная стойкость и способность ускорять развитие клеток, оказавшихся на его поверхности. Есть у тантала и отрицательная черта: он слишком жесткий. Поэтому целиком из него импланты для лечения как зубов, так и суставов конечностей не делают, а наносят пористое покрытие из спеченного танталового порошка. В таком качестве этот металл оказывается серьезным конкурентом титану — танталовый имплант вызывает меньше осложнений.
Коленная чашечка, спеченная из танталового порошка на 3D-принтере
Чем вызвано благотворное влияние тантала на живые клетки? Этот вопрос пока остается без ответа. Вот один из экспериментов, в котором прямо была поставлена задача найти ответ. В принципе способность материала ускорять развитие помещенных на него клеток может зависеть от нескольких факторов, прежде всего от физико-химических свойств и от морфологии поверхности. Покрытия из обоих конкурентов — пористого тантала и пористого титана — очевидно, имеют разный рельеф поверхности. Чтобы убрать этот фактор из рассмотрения, исследователи из шанхайского Шестого народного госпиталя в 2018 году специально сделали образцы из отполированных до зеркального блеска титана и тантала. Такой чистый эксперимент показал: действительно, ускорять рост клеток — черта, присущая танталу как химическому элементу; по динамике развития живой ткани он опередил металл-конкурент на треть. Видимо, продолжая расследование, уже в 2019 году исследователи из того же госпиталя установили, что танталовое покрытие на титане обладает прекрасными антибактериальными свойствами, но только после вживления в организм: при исследовании в чашке Петри микробы чувствовали себя на нем вполне комфортно. Наблюдение показало, что покрытие активизирует систему врожденного иммунитета: усиливает способность нейтрофилов поглощать бактерии и увеличивает производство сигнальных молекул другими участниками иммунного ответа — макрофилами. Загадка же состоит в том, что тантал — коррозионностоек. И, более того, покрыт пленкой прочнейшего оксида. То есть никакое проникновение ионов или атомов тантала в живые клетки совершенно невозможно. И где же тот действующий фактор, который ускоряет развитие костной ткани на танталовом импланте? Единственное, что приходит в голову, — электрическая активность: танталовая подложка как-то по-своему сказывается на собственных электрических полях живой клетки, вызывая наблюдаемые последствия. Может быть, когда-нибудь медикам удастся проверить эту гипотезу.
Танталовые пластины и шурупы для ремонта черепа
Ожидает ли нас в будущем дефицит тантала? Скорее всего, нет: эксперты оценивают рост его потребления как умеренный. Более того, борьба с углекислым газом ведет к сокращению сжигания ископаемого топлива и, соответственно, к сокращению потребности в жаропрочных материалах, а это важная область использования тантала. Производство машин требует большого числа самых разных металлов, однако в будущем для защиты климата автомобили должны перейти с бензина на электропитание. А как показывает практика, время жизни электромобиля в полтора-два раза больше, чем у собрата с двигателем внутреннего сгорания. То есть потребность в новых автомобилях растет с меньшей скоростью, чем численность населения, и это накладывает ограничения на рост потребности в тантале. В результате если сейчас мир потребляет 1,2 тысяч т тантала в год, то в 2050-м ему потребуется 2,2–8,2 тысяч т, если борьба за климат останется на бумаге, и 2,3–6,3 тысяч т если все-таки удастся выполнить цели Парижского соглашения и удержать к этому времени потепление в пределах двух градусов. Так ли уж этот рост умерен? Сравним с неодимом, без которого в альтернативной энергетике не обойтись, — из сплава NdFeB делают постоянные магниты для электрогенераторов. Сейчас используют 23 тыс. тонн этого металла, а в 2050-м при относительно успешной борьбе с потеплением прогноз дает 78–450 тысяч тонн.
Металл как керамика
Читайте также: