Сергей МАКАРОВ: «Наночернила повышают эффективность солнечных батарей»

На вопросы главного редактора IT News Геннадия Белаша отвечает Сергей Макаров, доктор технических наук, главный научный сотрудник ИТМО, и Виктория Желтова, директор инжинирингового центра ИТМО.

Сергей, расскажите, пожалуйста, про полупроводниковую нанофотонику.

С. М.: Нанофотоника — это раздел фотоники, изучающий физические процессы, возникающие при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами, а также разработка архитектур и технологий производства. Нанофотоника – новая область науки, которая получила активное развитие в стенах различных университетов, в том числе и в ИТМО: наша работа была отмечена премией Президента за пионерские разработки в этой области. Длина волны видимого света лежит в пределах 390–770 нм, а для задач нанофотоники важно уметь управлять светом на наноуровне, что много меньше размера самого фотона. Для многих практических задач эта область оказалась очень востребованной: например, при создании оптических наноустройств, таких как нанолинзы, нанотермометры, нанонагреватели, и т. д. Очень интересная разработка была выполнена на основе нашей платформы совместно с Алмазовским центром: мы берем созданные нами наночастицы и помещаем их в специальные капсулы, которые направляем в живую клетку. Чтобы лечить определенное количество клеток или даже одну клетку, нам надо лазерным пучком открыть капсулу с лекарством, нагрев ее до определенной температуры. То есть тут необходим наноградусник, измеряющий температуру одной клетки, – а значит, его надо создать, поскольку на наноуровне нет подобного инструментария. Используя разработанные нами наночастицы, мы научились нагревать светом на наноуровне клетки с точностью до одного градуса, научились открывать микрокапсулы с лекарством внутри одиночных клеток. Раковые клетки можно контролируемо уничтожать, не затрагивая рядом находящиеся здоровые клетки. Наши фундаментальные разработки коллеги уже применяют на практике. Мы еще далеки от лечения – даже на мышах экспериментов еще не было, но концепция, повторяю, весьма интересная.

Как ваши разработки используются в солнечных батареях?

С. М.: Они применяются в солнечных батареях третьего поколения. Эти гибкие, легкие полупрозрачные батареи нужно сделать как можно более эффективными. Можно пойти к химикам, и те будут придумывать все более экзотические и весьма дорогие материалы. А можно воспользоваться нашими разработками, используя дешевые, но хорошо структурированные материалы. За счет наночастиц с заданными свойствами удается увеличить эффективность солнечной батареи. В начале пути интерес у нас был сугубо фундаментальный. Но, когда мы осознали круг возможностей этой технологии – как можно создавать эти наноструктуры, что с ними можно получать, – встала более актуальная задача – оценить, где их можно использовать. Интерес к этим технологиям по фотовольтаике и солнечной энергетике проявил инжиниринговый центр Университета ИТМО.

В. Ж.: Наш инжиниринговый центр создавался в партнерстве с индустриальными компаниями. Наши партнеры ставили перед нами бизнес-ориентированные задачи ─ разработку прикладных технологий, реализуемых, масштабируемых и эффективных. Исходно специализация центра – это тонкопленочная фотовольтаика и гибкая электроника, ориентированные на большие, динамично развивающиеся рынки. Здесь речь идет о новом виде фотовольтаики, которая «не стоит в полях» и не основана на кремнии, а используется как интегрированная в строительный материал составляющая для покрытия крыш, фасадов или интегрированная в стекло. Гибкая электроника уже хорошо известна по складывающимся и гибким экранам смартфонов и тонким сенсорам – дешевым при массовом производстве и используемым в области «Интернета вещей».

Чем сейчас занимается ваш центр?

В. Ж.: Мы в центре ведем разработки по всей цепочке добавленной стоимости в фотовольтаике и электронике как технологи. Например, наши технологии органической фотовольтаики, финального продукта или устройства, скажем, гибкого печатного сенсора температуры или материалов, могут быть использованы в создании этих устройств. Один из проектов - синтез материалов, в частности наночастиц, и создание так называемых чернил на базе этих наночастиц, которые потом наносятся специально разработанными лабораторией методами на подложки, и таким образом создаются устройства гибкой электроники или фотовольтаики. Мы отрабатываем технологии создания таких устройств и первые лабораторные образцы пробуем где-то применить. Параллельно наша задача – совместно с партнерами и инвесторами создать технологический бизнес. Другими словами – стартап по нанотехнологиям, и показать его востребованность, экономическую возможность создания какого-то пилотного производства. Мы исходно имеем не только ТЗ на разработку технологии, но и гипотезу о создании бизнеса на основе нанотехнологических решений.

Как вы передаете свой опыт студентам ИТМО?

В. Ж.: Есть две магистерские программы: одна на базе физико-технического факультета, а вторая – на базе факультета технологического менеджмента и инноваций. С этого года у нас открыта программа по технологическому предпринимательству, специализированная на гибкой электронике и фотовольтаике, внутри нее есть фундаментальный модуль, который позволяет более глубоко погрузиться в вопросы физики и технологии. Партнерство науки, инженерии, технологического и бизнес-предпринимательства и создания бизнесов реализовано в определенной степени на всех уровнях.

Сергей, как называлась ваша докторская диссертация и связана ли она была с премией президента России, которой вы недавно удостоились?

С. М.: Так получилось, что я защитил докторскую диссертацию в 30 лет. Моя докторская работа и премия Президента России ─ по сути одно и то же. Тема диссертации: «Взаимодействие интенсивного лазерного излучения с оптически резонансными кремниевыми наноструктурами». Сразу после окончания аспирантуры, где я занимался сугубо фундаментальными вещами – лазерными нанотехнологиями, мне предложили хорошую позицию с западным уровнем зарплаты. К тому времени в питерском ИТМО под руководством австралийского профессора уже активно развивалось направление диэлектрической нанофотоники, но я подумал, что нужно заняться нанофотоникой на основе полупроводниковых материалов и разработать новую технологию, видя в этом большой потенциал. В 2015 году переехал из Москвы в Санкт-Петербург – здесь началось бурное развитие этого направления, тогда же я поступил в докторантуру. К 2018 году мы сделали очень многое, у нас был молодой и очень активно работающий коллектив. Работы шли под руководством декана физико-технического факультета ИТМО Павла Александровича Белова: докторскую диссертацию он защитил в 32 года, вернулся из-за рубежа, выиграл мегагрант, получил в 2009 году премию Президента РФ и создал наш факультет, привлекая на него молодых сотрудников. Мы были вовлечены в активную международную коллаборацию с лучшими научными школами мира – Австралийским национальным университетом, ведущими европейскими и американскими вузами.

Сколько у вас публикаций и сколько патентов?

С. М.: За 10 лет мною опубликовано около ста статей, зарегистрировано пять патентов и несколько заявок на патенты находятся на рассмотрении. Например, один из наиболее интересных патентов получен на новый ближнепольный микроскоп: он уже доведен до реализации, это дорогое, но востребованное в узкой нише устройство. Надеюсь, ряд крупных компаний будут заинтересованы в таком микроскопе.

В каком году в ИТМО появился физико-технический факультет?

С. М.: Он был организован в 2018 году Павлом Беловым, который и стал его деканом. Сейчас на факультете более 300 человек, включая студентов, многие из них работают по научным проектам как инженеры. Вначале критическая масса собиралась из молодых кандидатов наук с российским гражданством. За пять лет до формального открытия факультета сформировался костяк, который потом перерос в кафедру и уже затем был способен самостоятельно обучать студентов. Изначально это был исследовательский центр, а теперь все больше внимания на факультете уделяется образованию. Я тоже читаю полноценный курс по нанофотонике.

Есть ли обратная связь между центром инжиниринга и наукой?

С. М.: Ученым, занимающимся фундаментальной наукой, без подсказок и демонстраций того, что востребовано индустрией, без проведения прямо в Питере соответствующих презентаций, без обсуждения новых идей – очень сложно. Поэтому обратная связь, естественно, существует.

На сколько процентов возрастает коэффициент полезного действия солнечных батарей, на которые наносятся разработанные в ИТМО специальные наночернила?

В. Ж.: На конференции, которую мы проводили в декабре 2019 года, речь шла о том, что КПД солнечных батарей прибавил в результате использования наночернил около одного процента. Это очень востребовано технологически. Если нанести их на готовые панели CIGS, имеющие КПД около 17-18%, то он вырастет до 19%, а если на экспериментальную перовскную фотовольтаику, которой занимается наша лаборатория, то с 19 до 20%. Помимо разработки непосредственно технологий создания устройств фотовольтаики и электроники, с позиции быстрого внедрения перспективными являются и задачи по улучшению параметров существующих на рынке технологий, например создание тандемов тонкопленочной фотовольтаики и кремния или “light management” - создание специальных покрытий, повышающих эффективность светопоглощения. Над созданием такого покрытия ведется работа.

Мегагранты заметно поддерживают нашу науку?

С. М.: Конечно, при этом привлекаются зарубежные ученые как внешние руководители, у проекта есть локальный руководитель, собирается команда. Размер мегагранта – 30 миллионов рублей, продолжительность – три года. Но эти три года достаточно быстро проходят, стрессовая атмосфера тем сильнее, чем ближе к окончанию срока. Значит, надо вести разные гранты параллельно, везде существуют непростые отчетности. Российские ученые живут с гранта на грант… Здесь нужны грамотное планирование, поддержка факультета и университета, образование своеобразных подушек безопасности. Здесь как на фондовом рынке: есть грант – хорошо, нет гранта… Словом, ситуация неоднозначная. Многие мои коллеги получают гранты и их задача – писать огромное количество статей, мы же занимаемся в том числе и прикладной наукой.

Как инжиниринговый центр взаимодействует с учеными?

В. Ж.: Разработчики научной части ставят перед собой технические задачи на прикладную реализуемость. Все же это не то же самое, что научное исследование, – уровень ответственности за достижение тех показателей, что есть в техническом задании, уже другой, тем не менее в основе лежат некие экономические расчеты. А дальше есть две формы, как этим заниматься, мы их обе реализуем. Первая форма – когда есть заказчик и мы как инжиниринговый центр, по сути контрактное R&D. Заказчик описывает, что ему нужно, где-то дается подробное техническое задание, где-то просто идея на салфетке или какая-то гипотеза. Цель поставлена, мы вместе с научной частью работаем над задачей, и одна из наших целей – сделать это максимально эффективно для этого заказчика. Вторая форма – когда технологический и первые бизнес-риски мы берем на себя в рамках технологического стартапа. Венчурное инвестирование частично перекрывает технологические риски, что за короткий промежуток времени не будет разработано технологическое решение. Параллельно мы думаем, где еще можно использовать это решение, какие технические характеристики у него должны быть, и далее приходим с готовым решением к тому или иному бизнесу. И это мы называем технологическим предпринимательством.

Каков средний возраст сотрудников вашей лаборатории?

С. М.: 27 лет. Причем я почти самый старый в лаборатории J. Существуют гранты Президента для молодых ученых, есть программа «УМНИК», в них активно участвуют наши ребята, есть масса молодежных премий, есть много фондов для молодых ученых, есть отдельные секции с приличными деньгами. В начале 10-х годов было всего несколько фондов, а сейчас их много, появился мощный – с миллиардным бюджетом – российский научный фонд, который очень компетентно – точечно раздает финансирование по ключевым направлениям современной науки с экспертами из-за рубежа. Я вижу, в России делается определенная ставка на молодежную науку, интегрированную в международное научное сообщество, несмотря на определенные сложности. Европейские двухсторонние гранты с Россией не прекращаются, мы можем получать их от Германии, от Франции. С точки зрения планирования науки ничего не остановилось, взаимодействие с мировыми научными центрами должно продолжаться. Направления нанофотоники представлены во многих иностранных университетах, и они подпитывают другие области.

В ваших стартапах участвуют студенты?

С. М.: В этом году один стартап уже действует, на стадии согласования с инвесторами находятся еще два по теме «фотовольтаика», то есть по солнечным батареям и чернилам, о которых уже шла речь. В первом стартапе мы отработали схему, на все грабли наступили. В нем будут руководитель-менеджер, ряд исполнителей высокой квалификации на уровне инженеров – кандидатов наук, и те, кому интересно заниматься инновациями, но с квалификацией начального уровня, – это студенты и аспиранты.

Сколько патентов получено на наночернила?

С. М.: Пока один патент на наночернила находится на рассмотрении. И есть патенты на наночастицы как наноантенны.