Химия Земли: от фундаментальных исследований до производства
Со времен Чернобыльской катастрофы были известны термолюминесцентные монокристаллические детекторы ДТГ-4, которые делали в иркутском Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН. Они и сейчас востребованы в центрах радиационного контроля по всей стране. В 2024 году из-за дефицита исходного сырья для их производства – фтористого лития – в институте разработали свою технологию его получения. Наши корреспонденты узнали подробнее об этом и других результатах работы научного учреждения.
Иркутские детекторы – в космосе и под водой
На опытном участке Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН гудят установки. Некоторые из них в рабочем строю еще с 1970-х годов – настолько надежно сделаны в свое время. Но «начинка» современная, электронная. Здесь ученые из расплавов выращивают кристаллы. Они нужны и для научно-исследовательских работ, и для производства.
Главный научный сотрудник института, доктор физико-математических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Александр Непомнящих показывает нам прозрачные кристаллические стержни и нарезанные из них «таблеточки». Кристаллы выросли в печах при температуре +1000 градусов по Цельсию. Это чувствительные элементы термолюминесцентных монокристаллических детекторов на основе фтористого лития. Приборы измеряют уровень радиоактивного излучения.
– Работы по нашему направлению, связанному с синтезом, ростом искусственных кристаллов были начаты в 1970 году. Тогда у нас была организована лаборатория синтеза минералов. Мы разрабатывали термолюминесцентные детекторы ионизирующего излучения. Прежде всего у Военно-морского флота стояла задача измерять получаемые дозы радиации в подводных кораблях с ядерными реакторами, где люди длительное время находились в замкнутом пространстве. Детектор ДТГ-4 мы создали в 1982 году, – провел исторический экскурс ученый.
Александр Иосифович имеет статус «ликвидатор последствий аварии на Чернобыльской АЭС». 15 сотрудников института в 1986 году отправились в территории, пострадавшие от радиации. Тогда требовались качественные устройства для ее измерения. Министр здравоохранения СССР позвонил директору института, академику Льву Таусону, после чего группа ученых с детекторами отправилась в 30-километровую зону отчуждения ЧАЭС. ДТГ-4 показали себя хорошо, руководство Сибирского отделения Академии наук СССР разрешило в Иркутске наладить их производство. Сейчас оно доходит до 50 тыс. штук в год. Изделия поставляют прежде всего в центры радиационного контроля.
– Казалось бы, все работает, все поставлено на поток, но в прошлом году нам пришлось вернуться к этой проблеме. В свое время практически было разрушено химическое производство исходного сырья, которое мы использовали для изготовления детекторов. Мы года три проработали на китайском сырье, но там закрылось это производство, и нам пришлось создать собственные технологии получения исходного сырья – фтористого лития. Что мы и сделали, – пояснил Александр Непомнящих.
Принцип работы детектора в том, что, попадая в поле радиации, в кристаллических «таблеточках» размером 4,5 мм на 1 мм возникает ионизация, запасается и долго хранится энергия. В течение года ее потери составляют не более 5%. «Таблеточки» потом нагревают в специальной установке, при нагреве центры накопленной энергии высвобождаются и высвечиваются в виде люминесценции, которая регистрируется прибором. Измеряются и другие параметры. Иркутские ДТГ-4 есть и у космонавтов, и у подводников, и у медиков-рентгенологов, и у атомщиков.
Сейчас специалисты института работают также над созданием сцинтилляционных материалов опять же для детекторов, но тех, что замеряют уровень радиации мгновенно и широко используются в том числе в позитронно-эмиссионных томографах.
В поисках высокочистых кварцев
Созданная технология очистки исходного материала для детекторов – один из недавних практических результатов работы института. Есть и другие. Например, сотрудники ИГХ СО РАН регулярно бывают в экспедициях по Восточному Саяну. Кварцитовый отряд в числе прочего изучил геологическое строение иркутной свиты (кремнисто-карбонатных отложений, распространенных в юго-восточной части горного хребта) в междуречье Урда-Гаргана и Оки.
Проблема получения высокочистого кварцевого сырья актуальна для науки. И иркутские ученые выяснили, что стекла, полученные из кварцитов Восточного Саяна, обладают существенно более высокой устойчивостью к кристаллизации, чем стекла из жильного кварца Кыштымского месторождения на Урале. Это говорит об их определенном преимуществе при производстве радиопрозрачных обтекателей ракет и тиглей для выращивания кремния.
– Это необходимо и для микроэлектроники, и для солнечной энергетики, – отметил Александр Непомнящих. – Высокочистый кварцевый тигель в течение 10 суток находится при температуре +1450 градусов. Из этого тигля потом вытягивается кристалл. В работе по данной теме у нас задействованы химики, физики, в общем, весь научный спектр нашего института.
В лаборатории геохимии рудообразования и геохимических методов поисков построили общую генетическую модель формирования кварцитов Восточного Саяна. Эти и другие исследования позволят создать геолого-геохимические модели рудно-магматических и других систем с золотым, золото-платиновым, золото-серебряным, редкометалльным, полиметаллическим оруденением и нерудным сырьем – суперкварцитами.
Уникальная коллекция
Анализ веществ здесь делают настолько тщательно, что именно в этих стенах создают матричные сертифицированные стандартные образцы различных сред: как природных, так и техногенных. Это эталоны – будь то горная порода или сосновая хвоя. Более 70% коллекции по типу материала, числу и уровню аттестованных содержаний элементов не имеет аналогов в России и за рубежом, что обеспечивает национальную независимость РФ в аналитических исследованиях.
– Мы отправили в Москву, в РАН, пять важнейших научных результатов работы института в 2024 году. Помимо тех, о которых вам уже рассказали, я отмечу работу по изучению океанического дна в Тихом океане, где наши сотрудники изучают – как оно формировалось, развивалось, эволюционировало. Это процессы образования на дне рудных залежей. Месяц назад институт получил грант РНФ на продолжение исследований океанической литосферы в районе Магеллановых гор в Тихом океане, с целью изучения процесса образования месторождений марганца. В числе прочего там есть и редкоземельные металлы, – прокомментировал директор Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, доктор геолого-минералогических наук Александр Перепелов.
Ученые ИГХ СО РАН работали на всех мировых океанах. В сложные времена после развала СССР под руководством академика Михаила Кузьмина, который с 1988 по 2012 годы возглавлял институт, по международной программе «Байкал-бурение» провели комплексное изучение осадков озера Байкал.
Научные сотрудники изучают в том числе «ртутное дыхание Байкала». Они установили, что глубинная ртуть выходит на поверхность по зонам раскрытых разломов и ее значимым максимумам в воде байкальской системы предшествуют сильные землетрясения. В такие периоды при аномально высоких для Байкала концентрациях этого металла возможно токсическое воздействие на эндемики озера, которые наиболее чувствительны к изменениям условий среды обитания.
– Наши ученые также открыли более 15 новых минералов, включая такие известные, как армстронгит, названный в честь первого человека, ступившего на Луну. Или таусонит – его назвали в честь первого директора института Льва Таусона. А поскольку мы очень много работаем с коллегами из Монголии, один из открытых минералов назван монголитом. В прошлом году достигнут интересный результат в части минералогии. Исследователи выяснили, по каким причинам меняется цвет в минералах. Изучение свойств минералов позволяет понять, в какой области науки или производства минералы могут применяться, – подчеркнул директор института.
Подготовка будущих ученых
Есть у института и одно важное достижение, правда, не в части научных открытий. В учреждении открылась магистратура по направлениям подготовки «геология, минералогия и геоэкология». Это даст возможность привлекать выпускников бакалавриата и специалитета вузов к научным исследованиям по темам, над которыми работают ученые.
– У нас, как и в других институтах, давно действует аспирантура. Но мы поняли, что нужно уделять больше внимания качеству подготовки будущих специалистов. Мы готовим кадры в первую очередь для себя. Это такой «штучный товар», который требует индивидуального подхода. К тому же очень быстро меняются федеральные образовательные стандарты для подготовки специалистов высшей квалификации, – напомнил заместитель директора института по научной работе, заведующий отделом магистратуры и аспирантуры Алексей Шалаев.
Сейчас, согласно образовательным стандартам, выпускник аспирантуры должен подготовить диссертационную работу высокого уровня. Соответственно, к аспирантам и организациям, которые их готовят, предъявляются жесткие требования. По наукам о Земле подготовка в аспирантуре занимает всего три года. Если студент после окончания вуза, без особого научного задела приходит в НИИ, он попросту не успевает за это время написать качественную квалификационную работу. Теперь те, кто решил профессионально заняться наукой, могут поступить в магистратуру ИГХ СО РАН и за пять лет более предметно понять профессию и подготовить первый достойный научный труд.
– Это хорошо, когда студенты приходят и непосредственно общаются с учеными, – уверен Алексей Шалаев. – Они получают возможность вращаться в нашей научной среде. Также плюс в том, что у нас работает диссертационный совет. Это прямая дорога к защите диссертации.
А еще институт работает со школьниками. Каждый год от 10 до 17 талантливых ребят участвуют в проекте «Геошкола». В образовательной программе, которой руководит кандидат геолого-минералогических наук Татьяна Радомская, есть занятия по общей геологии, кристаллографии, химии, минералогии, петрографии, палеонтологии. Выпускники не только успешно участвуют в предметных олимпиадах, но и знают, как вырастить кристалл, разбить туристический лагерь и определить горную породу или минерал.
