Участники программы «Большие вызовы» провели исследование в области современных материалов. Их работа была посвящена изучению тонких плёнок из особых веществ — перовскитных материалов. Эти материалы обладают уникальной кристаллической структурой, которую учёные исследовали с помощью метода рентгеновской дифракции.
Перовскитные материалы благодаря своим свойствам вызывают большой интерес у учёных и инженеров. Они способны эффективно поглощать свет в широком диапазоне волн, делая это с высокой эффективностью. Это открывает широкие перспективы для создания высокоэффективных светочувствительных устройств — современных фотодетекторов, солнечных панелей и так далее. Занимались школьники под руководством специалистов Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».
Команда девятиклассников изучила сразу нескольких типов тонких плёнок, предназначенных для применения в солнечных элементах и рентгеновских детекторах следующего поколения. Ребята поставили цель — помочь учёным повысить эффективность и долговечность этих плёнок, исследуя их структуру с помощью рентгеновской дифракции. В процессе работы они распределили роли: одни занимались инженерией, другие выполняли химические эксперименты, а кто-то исследовал физические свойства получаемых материалов. Так, Яна Смирнова, которая приехала в Сириус из Москвы, работала над исследованием кристаллической структуры образцов.
«Такие устройства предназначены для преобразования солнечного света в электричество и играют ключевую роль в современной жизни. Без них трудно представить функционирование множества отраслей, будь то медицина или бытовая техника. Перовскиты демонстрируют большую эффективность преобразования солнечных лучей в электроэнергию. Они проще и дешевле в производстве, а также отличаются лёгкостью и гибкостью конструкции. Опытным путём мы установили, что температура отжига существенно влияет на стабильность материала — замедляет деградацию и продлевает срок службы элемента», — пояснила Яна Смирнова.
Проект охватывал весь спектр работ, начиная от исследования методов получения образцов и заканчивая комплексным анализом полученных результатов. Молодые учёные сами сконструировали установку для формирования плёнок на стеклянных подложках — спин-коатер, который равномерно распределяет капли раствора по поверхности. Исследуемые ребятами плёнки имеют толщину, сопоставимую с диаметром человеческого волоса и даже меньше. Структуру материала они изучили посредством рентгеновских методов анализа, поскольку такое излучение обладает высокой чувствительностью к положению атомов исследуемого материала. Проходя через плёнку, рентген рассеивается определённым образом, позволяя выявить дефекты структуры на уровне атомов и молекул.
«Чтобы оценить перспективы нашей разработки, мы провели сравнение с традиционными кремниевыми элементами. Кремний широко распространён и востребован благодаря развитой инфраструктуре производства, однако новый материал — перовскит — возможно нанести на разнообразные поверхности минимальным количеством, что снижает экологическое воздействие по сравнению с обработкой кремния. В перспективе перовскит станет серьёзным соперником кремнию, превратившись из нишевого продукта в универсальный материал для широкого спектра применений», — рассказал Игорь Пантелеев из Москвы.
Вместе с ещё одним участником команды Игорь отвечал за программирование и настройку режимов работы установки для формирования тонких плёнок. Они регулировали скорость вращения барабана спин-коатера, чтобы плёнка получилась нужной толщины и имела необходимые параметры.
«Особенность нашего коллектива заключается в разнообразии компетенций участников и по-настоящему междисциплинарном подходе. Среди членов команды есть специалисты, увлечённые физикой и химией, программисты, предпочитающие алгоритмы и математическое моделирование, а также инженеры, готовые создавать даже научное оборудование своими руками. Работая совместно небольшими группами, школьники решали междисциплинарные задачи, интегрируя научные знания по многим естественно-научным дисциплинам и инженерно-технические навыки. Благодаря такому погружению молодые учёные приобретают чёткое понимание комплексности научной работы и отсутствия реальных границ в научном знании о природе — такой конвергентный подход активно реализуется у нас в институте», — прокомментировал лаборант-исследователь Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» Эдуард Ибрагимов.
Самым ярким моментом программы по признанию ребят стало посещение лабораторного комплекса Научно-технологического университета «Сириус», где у них проходили практические занятия. Школьники ознакомились с комплексом передового научного оборудования для исследований в области материаловедения. Теперь они на собственном опыте знают, как организована экспериментальная работа современных научных коллективов.
