Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Diamond and Related Materials группой во главе с Владимиром Бланком, директором ТИСНУМ и заведующим кафедрой "Физика и химия наноструктур" МФТИ.
Традиционные батарейки или, говоря по-научному, гальванические элементы используют энергию химических реакций. Они дёшевы и компактны, но имеют серьёзный недостаток: быстро "садятся".
Впрочем, это ещё цветочки по сравнению с проблемами людей, пользующихся кардиостимуляторами. Режим "подзарядись или умри" вряд ли кому-то покажется комфортным.
Наконец, человечество отправляет зонды в глубины космоса, а на просторах Вселенной розетки точно не отыщешь. Вблизи Земли эта проблема решается использованием солнечных батарей, но с межпланетными аппаратами всё обстоит гораздо сложнее. Поэтому, например, марсоход "Кьюриосити" имеет источник питания, в котором тепло ядерного распада преобразуется в электричество (так называемый РИТЭГ). Однако такие устройства громоздки, и в кардиостимулятор их впихнуть не получится.
Между тем ещё в 1953 году был изобретён так называемый бета-вольтический элемент. Электроны, образующиеся при бета-распаде радиоактивного изотопа, поступают в полупроводник с особой структурой, превращают его атомы в ионы, и в цепи возникает электрический ток. В 1970-е годы эту технологию довели до промышленного применения и стали использовать в кардиостимуляторах, но они выходили чрезмерно дорогими и к тому же маломощными.
Группа Бланка поставила себе задачу разработать эффективные и дешёвые бета-вольтические элементы. В созданных физиками устройствах электроны выделялись радиоактивным никелем-63 и попадали в алмазные преобразователи, основанные на эффекте, известном как барьер Шоттки. Полная электрическая мощность батарейки составила около одного микроватта, а удельная мощность достигла десяти микроватт на кубический сантиметр. Этого достаточно, чтобы питать современный кардиостимулятор. Период полураспада никеля-63 составляет около ста лет. Таким образом, в одном грамме батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что в десять раз больше, чем в химических батарейках.
Образец "ядерной батарейки" состоял из двухсот алмазных преобразователей, чередуемых слоями фольги из никеля-63 и стабильного никеля. Отдельной проблемой было рассчитать оптимальную толщину слоёв радиоактивного металла. Если она слишком велика, электроны будут поглощаться, не достигнув преобразователя. А если она мала, то и частиц будет выделяться слишком мало. Все предыдущие модели бета-вольтических элементов были плохо оптимизированы по этому параметру.
Расчёты показали, что для максимальной эффективности толщина одного слоя никеля-63 должна составлять около двух микрометров, а алмазного преобразователя – около 10 микрометров.
Самой сложной задачей было изготовление большого количества алмазных преобразователей со сложной внутренней структурой толщиной всего в несколько десятков микрометров (как полиэтиленовый пакет из супермаркета). Традиционные методы уменьшения толщины алмаза для этого не годились.
Учёные МФТИ и ТИСНУМ разработали специальную технологию с применением ионной имплантации, осаждения из газовой фазы, высокотемпературного отжига, электрохимического травления и других методов с интересными названиями. Важно, что созданная специалистами методика позволяет получить алмазный слой нужной толщины и структуры сравнительно дёшево.
Правда, разработку не удастся сразу же внедрить, потому что в России нет промышленного производства никеля-63. Но к середине 2020-х годов планируется создать такую отрасль промышленности. А пока у авторов есть время для дальнейшего совершенствования своего детища.
"Мы уже достигли выдающегося результата, который может быть применён в медицине и космической технике, но не собираемся останавливаться на этом", – говорит В. Бланк.
