Мир слишком интересен, чтобы быть в нём не учёным
Евгений Михайлович Кайдашев родился в 1953 году, в 1978 году окончил Ростовский государственный университет (сейчас ЮФУ), и с тех пор он всю жизнь трудился на благо вуза и отечественной науки.
Евгений Михайлович внезапно ушёл из жизни летом 2023 года, родные и коллеги всё ещё остро переживают боль утраты. Настоящий очерк призван сохранить добрую память о Евгении Михайловиче, не пренебречь подробностями, связать академическое наследие доктора физико-математических наук Евгения Кайдашева и его выдающуюся личность, показать, что за 170 статьями, некоторые из которых имеют по 1700 цитирований, за рядом авторских методов по работе с наноматериалами стоит волевой и упорный человек, чьё дело будет жить.
У Евгения Михайловича Кайдашева сербские корни. Деда Евгения звали Иоанн-Никон Кайдович, распространенная в Сербии фамилия. Но в первой половине 20 века двойные отчества были не в почете, в раннем СССР любили русифицировать фамилии. Так, отец будущего учёного в паспорте стал называться Михаилом Никоновичем Кайдашевым. Мама Евгения, Галина Константиновна, была коренной москвичкой. В Ростове-на-Дону семья оказалась после войны.
Михаил Никонович был фронтовик, сражался на Миус-фронте, на торпедных катерах прорывал линию обороны фашистов на Дунае, позже ходил в разведку «за языками», имел осколочные ранения, ордена и медали. После войны работал механиком речных судов и «земснарядов» для углубления русел рек. При своей технической специальности это был невероятно внутренне интеллигентный и порядочный человек. Всегда носил костюм и легко располагал к себе незнакомых людей. Мать воспитывала четверых детей и работала почтальоном.
В 1971 году Евгений Кайдашев оканчивает школу и поступает на физфак РГУ. И если на первом курсе учёба ему ещё дается, то после осеннего семестра второго курса он решает, что университетская физика и начавшиеся курсы по радиоэлектронике — это слишком сложно.
«Школьная подготовка по физике у отца была средняя, но в университет он все-таки поступил. А физфак РГУ 1970-х годов – это очень сильные и очень требовательные преподаватели. Учёба давалась ему сложно, если не сказать мучительно. И он решает бросить вуз», — рассказал ведущий научный сотрудник Института математики, механики и компьютерных наук им. И. И. Воровича ЮФУ Владимир Кайдашев, сын Евгения Кайдашева.
Декан уговаривает студента Кайдашева не забирать документы совсем, а взять академический отпуск с возможностью восстановиться, если передумает. Евгений так и поступает, а затем идёт на завод учиться токарному делу. «Ученик токаря» — такая первая запись в его трудовой книжке, в которой, как казалось молодому Евгению, и дальше будут названия только сугубо трудовых профессий, не требующих бесконечной зубрёжки формул.
Через пару месяцев работы Евгения на заводе начался военный призыв, и он попал в армию, в танковые войска. Как человека с неоконченным высшим образованием, его заметили среди других солдат и отправили в Чехословакию, где советский контингент поддерживал порядок после событий «Пражской весны». Политическая ситуация была острой, поэтому советское командование строго фильтровало срочников, которым можно служить в другом государстве, хоть и социалистическом. Это должны были быть грамотные, ответственные ребята, желательно не вчерашние школьники.
Военная служба за рубежом сильно расширила кругозор Евгения. Сегодня они учатся стрелять из танка, завтра на учениях дивизии за сутки полностью закапывают свой танк в землю для маскировки, послезавтра его откапывают и едут на новую позицию в хвойных лесах Чехии. А через неделю у них долгожданный выходной, и можно погулять по Праге.
«В тот момент отец раз и навсегда решил, что в таком большом и интересном мире чем быть обыкновенным токарем, куда интереснее глубже познавать этот мир, быть экспериментатором во всех смыслах этого слова. А для этого нужно многому учиться, получать высшее образование», — делится Владимир Кайдашев.
Ещё в армии, а служба тогда длилась два года, Евгений в свободное время штудирует книги по матанализу, занимается физикой, за что получает прозвище «профессор». После демобилизации он не просто восстанавливается на физфаке РГУ и закрывает старые академические долги, но даже сдает на четверку семестровый курс матанализа у самой Аллы Аристарховны Говорухиной экстерном. Учится он с двойным упорством, а летние каникулы проводит в студенческих стройотрядах. Работать нужно на износ, зато платят там столько, что студенту Кайдашеву хватает этих денег на весь оставшийся год.
В это время он встречает студентку Ростовского инженерно-строительного института Ольгу Головину. Как бы безумно это ни звучало, но уже на третьем свидании Евгений делает Ольге предложение. Через три месяца Евгений Михайлович и Ольга Петровна сыграли свадьбу. Через год у них родился старший сын Андрей. За окном шёл 1977 год.
Пионер нанонауки
Евгению Кайдашеву пришло время защищать диплом, его научным руководителем стал сотрудник НИИ Физической и органической химии Н. В. Волбушко, большой сторонник экспериментальной науки. Он справедливо полагал, что студенческая дипломная работа – слишком скромный жанр научного труда, чтобы в ней пытаться строить большие теории. А вот провести как можно больше экспериментов и измерений — это дело полезное. Привел в лабораторию, показал, что да как. Но был так увлечен своими опытами, что заниматься вместе с Евгением его дипломными экспериментами ему было некогда.
И Евгений Кайдашев пустился в свободное научное творчество. В его распоряжении были импульсные лазеры, используемые в качестве активной среды органические красители, фотоактивные затворы (предмет его дипломной работы) и скоростной осциллограф, который на своем фосфорном экране запоминал картинку на несколько секунд. Для сохранения ее фотографировали на пленку, потом проявляли и печатали фотографию -осциллограмму.
Научного руководителя Евгений часто дёргать не хотел, поэтому совета чаще спрашивал у аспирантов НИИ ФОХ. Среди его старших товарищей и наставников был Анатолий Метелица, нынешний проректор ЮФУ по научной и исследовательской деятельности и директор НИИ ФОХ, тогда ещё аспирант. В итоге Евгений так увлекся и провёл столько экспериментов и измерений, что перед защитой диплома его научрук Н.В. Волбушко был сильно удивлен.
На защите диплома выпускником физфака заинтересовался Валерий Григорьевич Днепровский, заведующий лабораторией Волновых процессов. Лаборатория по иронии судьбы к тому времени переехала из НИИ Физики в НИИ Механики и прикладной математики РГУ. Тогда это был мощный научный коллектив из ~40 человек с отличной экспериментальной базой и массой проектов.
То, чем они занимались, тогда казалось Евгению фантастикой. Именно от этой лаборатории через много лет выделится новая лаборатория Наноматериалов Института математики, механики и компьютерных наук ЮФУ. Эра наноматериалов, собственно, как и сами наноматериалы в виде нанотрубок, наностержней, наночастиц появится в России только через 20 лет. Пока это были лишь тонкие пленки сложных оксидов.
Здесь стоит немного остановиться, чтобы поговорить о наноматериалах и о том, зачем они нужны. В последнее время приставку «нано» используют в медиа по поводу и без, из-за чего обывателю кажется, что так можно назвать что угодно современное. На самом деле нанотехнология — это вполне конкретная область фундаментальной и прикладной науки и техники, включающая синтез, анализ и внедрение материалов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Учёные в этой области принципиально употребляют в отношении объектов, с которыми работают, термин «материал», а не «вещество», поскольку из одних и тех же атомов вещества могут состоять самые разные материалы. Так, обычный углерод без примесей, если его атомы соберутся в многослойную сетку из шестиугольников — это графит, если в однослойную сетку из шестиугольников — это графен, а если в трехмерную сетку в форме полого футбольного мячика— это фулерен. У всех трёх абсолютно разные свойства, причем свойства редкие, которые часто в земных условиях не встречаются.
К 2024 году среди материалов, полученных атомарными манипуляциями, у человечества есть проводники с нулевым сопротивлением — потенциал для энергонезависимой электроники, стопроцентные светопоглотители — потенциал для солнечных батарей. Есть даже материалы, меняющие цвет под действием электрического тока: если из такого собрать экран телевизора, у него размер одного пикселя будет буквально размером в несколько атомов. Но вернемся в 1978 год и посмотрим, как начиналась эта технологическая эра.
«Сильно продвинуться в получении и изучении наноматериалов помогли импульсные лазеры и методы импульсного лазерного напыления. Много позже, в начале 90x годов, Евгений Михайлович начнёт активно интересоваться обрывочно доступными в России тех лет появляющимися сведениями об удивительных свойствах новых наноматериалов: фулеренов и нанотрубок», — рассказал Владимир Кайдашев.
А в 1978 году в лаборатории волновых процессов ещё не было даже лазера, чтобы напылять даже тонкие нанопленки, не то что «наноматериалы». И Евгений Кайдашев сделал лазер для себя сам: собрал блок питания метр на два, с самодельными силовыми трансформаторами и конденсаторами с большой кулак. Что-то выпросил у коллег из списанных или сломанных приборов.
Этот лазер вечно выходил из строя, но работал: накапливал большой заряд в своих конденсаторах, а затем в моноимпульсном режиме выдавал один импульс мощностью целых 5 джоулей (это очень много даже для современных лазеров!) и длительностью в одну миллионную секунды. Этот лазер был способен испарить некоторое количество материала, по меркам наномира, очень большое количество — например, за несколько сотен выстрелов мог прожечь дырку в монете. Такая монетка, принесенная Евгением своей жене, долго хранилась в семье Кайдашевых.
Чтобы получать и исследовать сверхпроводники, к лазеру нужны были вакуумная установка, насосы, оптика, электроника. Наконец Евгению удалось «выбить» всё это для своей установки, да ещё и закупить новый твердотельный лазер.
Жена Евгения, Ольга Кайдашева, в это время заканчивает РИСИ и начинает строить успешную карьеру инженера-проектировщика. Через годы ею будет спроектирована половина тепловых сетей города Ростова-на-Дону. А в 1983 у молодой семьи Кайдашевых рождается второй сын, Владимир.
1980-е годы стали золотым временем для советской науки в целом и для лаборатории Волновых процессов, в частности. В это время в её стенах создавалась экспериментальная база для разработки материалов нового века, в том числе высокотемпературных сверхпроводников.
«Я начал ходить в лабораторию к отцу лет в 5–6. То в садике карантин, то в школе каникулы: много ситуаций, когда ребенка оставить не с кем. И папа, чтобы меня развлечь, показывал захватывающие эксперименты, к примеру вытеснение магнитного поля из материала при его переходе в сверхпроводящее состояние: опыт, который в народе называется «Гроб Магомета» (по преданию, гроб пророка Мухамеда парил над жидкостью). В ходе него охлажденный сверхпроводник можно заставить левитировать над магнитом. Тогда этот «фокус» могли себе позволить лишь несколько лабораторий в мире, имеющие в руках высокотемпературные сверхпроводники с предельными характеристиками: с температурой перехода выше температуры 77K жидкого азота», — вспоминает Владимир Кайдашев.
Тот, кто не струсил и вёсел не бросил
Но благополучным дням не суждено было длиться вечно. В 1991 году распался Советский Союз. C 1992 года начался крах макроэкономической политики нового российского государства, который очень сильно отразился на отечественной науке.
«К 1995 году в папиной лаборатории совершенно перестали платить зарплаты, как и во многих других подразделениях университета. Преподаватели, которые вели лекции, получали хоть небольшие деньги за отведенные часы, а исследователи, научные сотрудники не получали практически ничего. Учёные уходили в лучшем случае в прикладные НИИ, например Ростовский НИИ Радиосвязи, при которых открывались «малые предприятия» и выполнялись гражданские коммерческие заказы, к примеру, частотные фильтры для телевизоров, а в худшем случае шли просто торговать консервами или носками на рынке. Был случай, когда, для того чтобы купить мне новые сандалии, папа 2 дня разгружал 50-киллограмовые мешки на Ростов-Товарной», — поделился Владимир Кайдашев.
В целом здании, который занимал НИИ механики и прикладной математики, остались работать от силы несколько человек, на этаже остались человека 3–4, в том числе Евгений Михайлович Кайдашев. В какой-то момент он остался один в нескольких комнатах с оборудованием. Заведовать лабораторией Наноматериалов де-юре он станет только в 2000 году, но де-факто эта часть лаборатории стала его уже тогда.
Продолжать научную работу в таких условиях нужно было практически бесплатно, при этом все материалы для исследований выпрашивать у коллег или использовать большие запасы, сохранившиеся с благополучного советского времени. Именно это и делал Евгений Кайдашев, над которым довлела недописанная кандидатская диссертация. В темных коридорах по вечерам все чаще стали появляться летучие мыши.
Тогда среди ученых гуляла шутка: «Денег не платят, так хотя бы хорошо еще, что не берут деньги за вход». Не опустить руки, не бросить всё Евгению Михайловичу помогала только вера в науку. К тому же, давней мечтой Ольги Петровны была защита кандидатской диссертации ее мужа.
«Мама не просто была рядом с ним в эти моменты, она была его опорой. Вся семья жила на мамину инженерскую зарплату, которая тоже в те годы стала меньше. Но мама знала, как важна для отца наука, и настаивала на том, что он должен защититься и стать кандидатом наук. У них была настоящая любовь! А ещё они очень друг друга дополняли: Евгений Михайлович — интеллигентный, вежливый, порой даже слишком мягкий и неконфликтный, но в то же время очень упорный и волевой человек, а Ольга Петровна — темпераментная, пробивная, привыкшая командовать и всего добиваться сама. Папу мало интересовали звания и должности, его устраивало весь день читать научные статьи, проводить эксперименты и наслаждаться процессом научного познания. Мама же постоянно напоминала ему, что за его труд полагается вознаграждение. Говорила, что научные звания и регалии нужны, чтобы развиваться дальше и выглядеть солидно даже в лице тех, кто ещё не знает его талантов и навыков», — поделился Владимир Кайдашев.
Ученый-экспериментатор без нужного оборудования – это никто. Всегда чего-то не хватает и всегда нужно куда-то поехать, чтобы что-то измерить. Так и Евгений был вынужден ездить к тем, у кого было больше приборов. Случайно на конференции жизнь свела его с будущим научным руководителем, Роальдом Николаевичем Шефталем, начальником лаборатории в одном из тогдашних лучших Советских институтов – Институте Радиоэлектроники (ИРЭ РАН), в Москве.
Евгений стал часто ездить в столицу на исследования, поступил в аспирантуру. Видя бедственное положение своего аспиранта, Роальд Николаевич даже разрешил Евгению на время многомесячных научных командировок останавливаться прямо у себя дома. Несмотря на большую разницу в возрасте и статус начальника, они подружились.
Итак, защита кандидатской диссертации предстояла Евгению Кайдашеву летом 1995 года в Институте радиотехники и электроники РАН в Москве. Ему тогда уже было 42 года!
К слову, Шефтали — это широко известная научная династия. Отец физика Роальда Шефталя — выдающийся кристаллограф Николай Шефталь, лауреат Сталинской государственной премии за получение в СССР сверхчистого кремния в промышленных масштабах. А отец Николая в свою очередь — изобретатель автоматического порошкового огнетушителя Наум Шефталь.
Живя в Москве у Роальда Шефталя, Евгений Кайдашев угощает его привезенными с Дона солеными лещами, самодельными овощными закатками и консервами, добытыми летом на собственном огороде. После защиты кандидатской Евгения, дома у Роальда Николаевича они «обмывали» событие из уникальных бокалов его отца Николая Шевталя, изготовленных из сверхчистого кремния по специальному заказу его благодарных коллег.
О чём же была эта кандидатская диссертация, выстраданная кровью и потом? Она называлась «Эпитаксиальные пленки высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7-x. Получение и использование».
Оксид иттрия-бария-меди — это такой материал, который при температуре ниже, чем 90 Кельвина (-183°C) переходит в сверхпроводящее состояние, то есть его сопротивление становится равным нулю. Пока этот материал не нагревается выше 90К, кольцевой ток течет по нему и не затухает. Поскольку жидкий азот позволяет без проблем охлаждать вещества до 77К, YBCO (популярное название этого оксида) называется «высокотемпературным сверхпроводником».
«Евгений Михайлович выжал из оксида иттрия-бария-меди всё, что было возможно. Был достигнут и максимальный критический ток, больше которого сверхпроводимость разрушается, и максимально возможная критическая температура в 90К, выше которой он уже не сверхпроводник. Все эти данные легли в основу кандидатской диссертации», — объяснил Владимир Кайдашев.
Полученные тогда рекордные свойства этого материала не превзойдены и по сей день, просто взгляды учёных переключились на другие сверхпроводники, ещё более высокотемпературные. Некоторые современные сверхпроводники обретают нулевое сопротивление при 200 Кельвинах — ещё 40 градусов и комнатная температура — однако они очень сложные в получении и часто токсичные. Не исключено, что однажды человечество вернется к YBa2Cu3O7−x, но уже для других целей.
После защиты кандидату физико-математических наук Евгению Михайловичу Кайдашеву, которому в 1996 году исполнилось 43 года, нужно было сделать окончательный выбор: либо всё-таки бросить науку, либо найти способ зарабатывать на своей исследовательской деятельности, чтобы обеспечивать свою семью. Его главным конкурентным преимуществом была именно кандидатская диссертация по-настоящему международного уровня.
Друг и коллега Евгения Михайловича, Иван Анатольевич Паринов, сегодня главный научный сотрудник лаборатории механики и физики новых материалов и устройств ИММиКН ЮФУ, в это время едет на научную конференцию в США. Евгений из-за отсутствия денег сам поехать не может, но просит взять его постер, рассказывающий, что есть в России такой учёный Евгений Кайдашев, который напыляет превосходные сверхпроводящие пленки. Все заинтересовавшиеся в сотрудничестве могли оставить в приклеенном к постеру конверте свои визитки.
Паринов вернулся из Америки со жменей визиток, но большинство из них, как выяснилось позже, были вложены в конверт из вежливости. Действительно в переписку с Евгением вступил только немецкий доктор (сейчас уже профессор) Михаил Лоренц из университета Лейпцига (Dr. M. Lorenz, PLD Laboratory, Institut fuer Experimentelle Physik II, University of Leipzig, Germany).
Они в своём Институте экспериментальной физики тогда тоже занимались сверхпроводимостью в тонких пленках YBaCuO, только в отличие от русских коллег обладали для этого намного большим бюджетом: исследования в Лейпциге финансировала фирма Bosch, видевшая в сверхпроводниках перспективы для фильтров сотовой связи.
Лоренц выражает готовность принять Кайдашева в своей лаборатории на три месяца в статусе приглашенного учёного. На деле первый визит в Германию в 1997 году оказывается не таким продуктивным, как рассчитывал Евгений Михайлович. Вести собственное исследование его в Лейпциге не допустили, вместо этого он практически все три месяца сидел на скучных измерениях образцов других сотрудников, исполняя роль очень компетентного лаборанта. Зато на среднюю по немецким меркам зарплату приглашенного учёного за 3 месяца в Германии он мог жить остальные 9 месяцев в году в России.
«Через год он поехал повторно и всё активнее проявлял себя как учёный. Наконец его навыки и знания заметили, и в 2002 году он уже поехал по контракту на 3 года в статусе «research fellow», то есть постдока. Мама взяла «неоплачиваемый отпуск» и уехала вместе с ним. А я к тому времени перешел на 2 курс физфака РГУ», — рассказал Владимир Кайдашев.
Новые технологии для Старого Света
Много потребовалось усилий Евгению из России, чтобы убедить немцев взяться за новое для них направление — наностержни оксида цинка. В США химики уже поняли, что некоторые наноматериалы проявляют свои предельные характеристики, если выращивать их не как плёнки, а как микро- или наностержни — микро- или наноскопические шестигранные монокристаллы.
В Европе и России на тот момент этого ещё не пробовали делать. Евгений Михайлович предлагал университету Лейпцига опередить всех в Евразии, и он был прав: уже совсем скоро на последующие 15 лет, до середины 2010-х годов, ZnO станет самым цитируемым веществом в мировой научной литературе.
Оксид цинка — это очень чувствительный полупроводник, перспективный для массы различных сенсоров: света, газов, биологических молекул, энергии механических сокращений, температуры, влажности и многих других. Каждая наноструктура на основе оксида цинка — это микроскопическая молекулярная сигнализация, с высокой точностью реагирующая на то, на что её запрограммирует учёный. Она может начать проводить ток, перестать проводить ток, излучать сигнал, поглощать сигнал при условии изменения температуры, давления, освещенности, наличия в помещении газа: какой спусковой крючок ты задашь этой крохотной наноструктуре, то она и измерит.
Учёные в Лейпциге, увлеченные старыми-добрыми сверхпроводниками, не очень-то хотели переключаться на новую малоизведанную тему. Тем более для выращивания наностержней нужно было ещё создавать принципиально новую установку. И тогда первый прототип такой установки Евгений Михайлович собрал сам из химической печки и подручного оборудования, как когда-то собирал из кусков приборов свой первый лазер в РГУ.
Он получил первые наностержни оксида цинка, и каждый учёный в Лейпциге, кто приходил взглянуть на это диво-дивное, начинал задумываться, как бы и ему применить такие структуры в своих работах. На счастье Евгения Михайловича лаборатория состояла из компактной команды не только высококлассных ученых-материаловедов, таких как Михаил Лоренц и Мариус Грундманн (директор института, аспирант Нобелевского лауреата Бимберга), но и крутого инженера Хохмута Холгера, который к тому времени самостоятельно собрал и запрограммировал не одну уникальную экспериментальную установку для лазерного напыления, и уникального токаря, Диттера Натуша, знающего всё о физике и технологиях обработки тугоплавких материалов, высокотемпературных печах, вакуумной арматуре и прочем.
По чертежам Евгения Михайловича через несколько месяцев при помощи коллег была создана установка для лазерного синтеза наностержней, как выяснится позже, одна из лучших в мире. На последующие 15 лет наиболее часто употребляемым словом для Евгения Михайловича стало слово «наностержень».
«Как-то много позже в университете Лёвена в Бельгии я встретил одного молодого китайца, который, когда узнал мою фамилию и выяснил, что Evgeni Kaidashev – это мой отец, долго удивлялся и не мог в это поверить», — вспоминает Владимир Кайдашев.
Благодаря дифракции быстрых электронов на слоях растущего материала смотреть на свойства стержней и пленок можно было прямо в момент синтеза. И не только смотреть, но, если знаешь, как-то и «подстраивать» их свойства в момент роста.
«Евгений Михайлович знал, как это делать, ведь за плечами был большой путь в материаловедении. Одно из важнейших свойств полупроводников — это холловская подвижность. Она является индикатором «идеальности» кристаллической структуры и сразу уменьшается, если в кристалле есть дефекты. Для наноструктур оксида цинка подвижность электронов была достигнута отцом по максимуму. С тех пор пока ещё никто не получил наностержень оксида цинка, настолько близкий к структуре монокристалла», — подчеркнул Владимир Кайдашев.
Особенно интересно рассматривать изображения наностержней, полученные c помощью электронного микроскопа. Это было одно из самых любимых занятий Евгения Михайловича помимо прочтения тонн научных статей. Если это более крупные микрокристаллы и в добавок они еще идеально ориентированы относительно друг друга во всем массиве, то фотографии этих кристаллов даже в оптический микроскоп выглядят как произведения цифровой живописи, настолько красиво они преломляют и рассеивают свет.
Ученые для колебаний света в таких оптических микро-резонаторах выбрали название из области церковной архитектуры – «whispering-gallery mode», форма шепчущей галереи, которая использовалась в соборах раннехристианского Рима. Там тихий шепот тоже многократно переотражался и «бродил» между колонн.
Так как Евгений Михайлович еще во времена сверхпроводников имел дело с многокомпонентными оксидами, логичным было начать вводить примеси в оксид цинка. Тогда они перебрали большое количество элементов из таблицы Менделеева. Евгений Михайлович насинтезировал колоссальное количество сложных оксидов на основе ZnO.
К сожалению, лишь небольшая часть из этих материалов была детально изучена немецкими коллегами, и многие образцы так и остались лежать в шкафу недоисследованными. Но и того, что удалось изучить, хватило на ряд публикаций, которые уже были процитированы другими учеными 500, 800 и даже 1500 раз.
При помощи легирования оксида цинка другими атомами Евгению Михайловичу и его команде из Лейпцига удалось увеличивать или уменьшать запрещенную зону, то есть заставлять материал излучать или поглощать УФ, зеленые или красные фотоны. Чередуя такие слои с различным легированием в процессе роста наностержней, они смогли построить излучающие свет квантовые ямы в поперечном и продольном направлениях стержней.
«Более того, очень узкая ширина запрещенной зоны позволяет детектировать глубокое инфракрасное излучение, а очень широкая — глубокий ультрафиолет. Это те длины волны, которые человеку иногда очень важно уметь обнаружить, а способов не так много. В 2017 году мы получали оксид цинка, допированный магнием, и делали фотодетекторы глубокого ультрафиолета. К примеру, происходит порыв высоковольтной линии электропередач, незаметный невооруженным глазом и искрит невидимыми искрами. Это аварийная ситуация, которую могут засечь только камеры, чувствительные к ультрафиолету. И сотрудники электросетей действительно периодически ездят с УФ фотодетекторами и мониторят высоковольтные провода. Наши фотодетекторы глубокого УФ, разработанные в ЮФУ, вполне могли бы стать основой для таких видеокамер», — рассказал Владимир Кайдашев
В соединении с алюминием или галлием оксид цинка становится проводником, который можно использовать в качестве электродов в сенсорных экранах смартфонов, планшетов и не только.
Директор Института экспериментальной физики Университета Лейпцига Мариус Грундманн и профессор Михаил Лоренц по сей день вспоминают вклад Евгения Кайдашева с огромной благодарностью и дружеской теплотой.
До 2007 года Евгений Михайлович ещё несколько раз наведывается в Лейпциг проводить свои эксперименты и измерения на их оборудовании. В 2007 году уезжать надолго стало просто некогда: наконец начинаются долгожданные изменения в ЮФУ.
Южный федеральный университет закупает в лабораторию «Наноматериалов», которой с 2000 года уже официально заведует Евгений Кайдашев, много оборудования: эксимерный лазер, установки лазерного и магнетронного напыления, спектрометр, твердотельные и газовые лазеры, запоминающие осциллографы, измерители потока газов и многое другое.
Последний ректор РГУ Александр Белоконь, в прошлом директор Института математики, механики и компьютерных наук, с большим вниманием относился к работе лаборатории, узнавал, что ещё нужно Евгению Михайловичу и его сотрудникам для максимально результативных исследований.
В 2004 году на Физическом факультете ЮФУ была открыта новая кафедра «Нанотехнологии». Заведующий этой кафедрой доктор физико-математических наук Юрий Юзюк направлял работать в лабораторию Кайдашева сильных выпускников.
В те же годы в Таганроге на базе ИНЭП ЮФУ создается крупнейший на Юге России и оснащенный уникальным оборудованием Научно-образовательный центр «Нанотехнологии». Южный федеральный университет заявляет о себе как о ведущем вузе в области нанотехнологий не только на всю Россию, но и на весь мир. Какую им заказывать установку лазерного напыления таганрогским коллегам советует Евгений Михайлович.
А у самого Евгения Михайловича Кайдашева появляется двойной повод для гордости: в его лабораторию приходит работать его сын, Владимир Кайдашев, к тому времени уже выпускник физфака.
Где учился, там и пригодился
Владимир Евгеньевич Кайдашев родился в 1983 году. С детства он наблюдал за работой отца и к старшим классам знал о науке две вещи: это удивительный мир с волшебными опытами и многочисленными загадками для пытливых умов, а ещё это тяжелый труд, которым не так-то просто себя обеспечить.
Сначала Владимир хотел отучиться в вузе на техническую специальность, желательно в Москве, и даже всерьез задумывался стать авиаконструктором. Учился он на «отлично», но, чтобы подготовиться к московскому вузу, нужно было больше, чем «отлично» в школе. Одиннадцатиклассник Володя в 1999 году пошёл на подкурсы «Шаг в физику», которые вели замдекана физфака РГУ Валерий Павлович Филиппенко и преподаватель физфака Александр Соломонович Богатин.
«На первую лекцию нас собралась полная аудитория школьников, большая физическая аудитория, на второе занятие — вдвое меньше, на третье — ещё вдвое меньше. Через два месяца нас осталось четыре человека. Валерий Павлович посмотрел на нас и решил, зачем нам в такой большой аудитории заниматься впятером? В ней ещё и прохладно зимой было. Доска задачи решать и в деканате есть. И до конца учебного года наши встречи выглядели не как факультетские подкурсы, а как будто четыре ростовских школьника нашли себе бесплатного репетитора, решающего задачи для 1 курса физфака и отвечающего на любые вопросы о физических явлениях, причем в лице университетского преподавателя с огромным педагогическим стажем. А еще мы приносили торт и пили в деканате чай с замдекана на зависть забегающих студентов», — вспоминает Владимир Кайдашев.
Учительница физики в школе всегда находилась в лёгком шоке от ответов Кайдашева у доски, настолько они были за рамками школьной программы. И вот выпускные экзамены позади, и настало время выбирать вуз. С одной стороны, Владимира манит столица с её вузами, с другой – он понимает, что там его время займут постоянные подработки, необходимые, чтобы выживать в это нелегкое для страны время. А в Ростове он сможет сконцентрироваться на учёбе и получить максимум знаний. И он выбирает знания.
Дополнительно он целый год ходил на подкурсы мехмата к Анатолию Казаку, который так «натаскал» по математике, что на пробном экзамене на мехмат Владимир набрал 20 из 20 баллов (ходил на пробный экзамен просто проверить себя) и ещё набрал 100 из 100 баллов на всероссийском тестировании по математике. Но на мехмат он не собирался. Вместо этого он занял первое место на олимпиаде для школьников на физфаке РГУ, по ней брали без экзаменов.
В годы учёбы на физфаке помимо упомянутого Валерия Павловича Филиппенко, Владимир Кайдашев обретает множество легендарных наставников: Алла Аристарховна Говорухина с 50-летним педагогическим стажем знала наизусть весь 4 летний курс матанализа, курсы дифференциальных и интегральные уравнений; невероятный рассказчик Александр Соломонович Богатин имел по каждой теме помимо физики еще и исторический очерк, связанный с открытием, и пару забавных историй и зрелищных опытов с плазмой и магнитами, газовыми разрядами, звуковыми волнами и прочим; человек энциклопедических знаний Евгений Леонидович Латуш рассказывал про лазеры и оптоэлектронику то, что в начале 2000-х ещё казалось студентам научной фантастикой; мастер спорта по альпинизму Владислав Георгиевич Кузнецов вспоминал, как формула математического маятника помогла ему не убитьсяпри падении с отвесной скалы, и многие-многие другие преподаватели, о которых фразу «это люди-легенды» говорило поколение российских студентов-физиков четверть века назад.
В 2006 году Владимир окончил с отличием магистратуру физического факультета Ростовского государственного университета и поступил в аспирантуру. Решения стать ученым пока еще не было. Все еще слишком непростое время было, чтобы быть ученым в России в те годы. В 2006 оборудование в лаборатории отца в Ростове сильно устарело и перспективы были туманные. Владимиру тогда казалось более заманчивым заниматься электроникой.
Он устроился программистом микроконтроллеров и в течение года даже преуспел в этой области, стал неплохо зарабатывать. Так сложилось, что в 2008 году товарищ отца, профессор из Португалии предложил ему поехать на два месяца стажироваться в Авейро, изучать там наностержни, которые уже начали выращивать вместе с отцом в Ростове на самодельной установке, похожей на установку в Лейпциге.
«Только тогда мне удалось окунуться с головой в науку на высоком техническом уровне: там я впервые делал эксперименты с жидким гелием и крутыми спектрометрами. И тут я осознал, что для работы инженера-электронщика нужна лишь малая часть моих знаний и умений. А всё остальное я для чего учил? Зачем я был отличником на таком сложном факультете? Чтобы теперь всё забыть?! Нужно срочно написать диссертацию и пробовать свои силы там, где за хорошую науку еще и платят! Я уволился из фирмы и устроился работать в отцовскую лабораторию Наноматериалов, первые полгода почти бесплатно», — вспоминает Владимир Кайдашев.
С дьявольским упорством
Итак, Евгений Михайлович и Владимир Евгеньевич Кайдашевы теперь уже вместе продолжили изучать свойства наностержней и пленок оксида цинка, на которые Кайдашев-старший ввёл моду в Лейпциге.
Держа в памяти пример отца, которого счастливый случай и собственная смелость свели с коллегами из Германии, Кайдашев-младший с первых лет работы в лаборатории живет в мире, где для науки нет государственных границ. Если для диссертации по лазерному напылению оксида цинка не хватало исследований свойств самой лазерной плазмы, то есть самого процесса синтеза в реальных условиях, и такие возможности были в другом уголке мира, Владимир без стеснения писал запрос незнакомому профессору, договаривался и ехал исследовать.
Так, в 2009 году он напросился поехать на три месяца к совершенно незнакомому ему профессору Джейму Ланнею (James Lunney) в Тринити-колледж Дублина в Ирландию, к одному из ведущих учёных в Европе, изучающему состав лазерной плазмы при помощи супер-скоростных камер и спектрометров
«Из Дублина я привез измерений для половины свой кандидатской диссертации. Первая половина касалась лазерного напыления плёнок и синтеза наностержней оксида цинка — это я сделал в ЮФУ. А вторая половина была про измерения динамики лазерной плазмы ряда материалов на основе ZnO. В лаборатории профессора Джеймса Ланнея в Тринити-колледже меня приняли очень хорошо. Студенты в тот период много времени проводили за компьютерами, и оборудование часто простаивало. Зато я, наконец дорвавшись до необходимых мне крутых приборов и методов, использовал время по полной - 3 месяца работал по 10–12 часов в день и кайфовал от обилия отличных результатов», — вспоминает Владимир Кайдашев.
В 2010 году ему была присвоена степень кандидата физико-математических наук по специальности «Радиофизика». После диссертации у Владимира наконец появилась возможность пуститься в самостоятельное плаванье по «большой науке» и попытаться сделать что-то своё.
И снова электронное письмо «в никуда», на этот раз незнакомому профессору Петеру Ливенсу (Peter Lievens), который является одним из мировых лидеров в области изучения атомарных кластеров методами лазерной спектроскопии и масс-спектрометрии. И снова повезло – он прошел собеседование, и его пригласили на работу!
С 2011 по 2014 год он работает в качестве постдока в Католическом Университете Лёвена в Бельгии. Там он занимался изучением оптических, хемосорбционных и фототермических свойств атомарных кластеров. Его инструментами теперь стали масс-спектрометрия, сверхвысоковакуумные установки и перестраиваемые лазеры. На 3 года ему доверили почти в полное распоряжение уникальную сложную экспериментальную установку, разработанную в Лёвене и занимающую 2 большие комнаты.
«Мне было интересно, что становится с веществом, когда его остаётся всё меньше и меньше, вплоть до нескольких атомов. В Лёвене была возможность выяснить это экспериментально. Мне нужно было сверхточное оборудование для масс-спектрометрии и штук 6 разных лазеров», — рассказал Владимир Кайдашев.
Он изучал в вакууме небольшие образования из конечного количества атомов, прежде всего из золота и платины, а еще из ниобия, серебра, в которые «засовывал» по одному атому и кучи других легирующих элементов. С некоторыми атомарными кластерами к тому времени учёные уже были немного знакомы: измерили и рассчитали их необычные геометрии. Но для изучения их оптического поглощения нужны были просто адские в своей сложности эксперименты, и на них просто многие не решались. Такие измерения были штучными.
Два лазера стреляют по двум металлическим мишеням, находящимся внутри маленького замкнутого объема внутри вакуума. Перед этим в объем происходит впрыск малой порции инертного газа под большим давлением. Вещество превращается в отдельные атомы или малые конструкции из нескольких атомов (кластеры), которые мгновенно вылетают из объема в вакуум, не успевая собраться в более крупные образования.
Далее те, что заряжены положительно, разгоняются высоковольтным электрическим полем до больших, но разных по величине скоростей: легкие приобретают большую скорость, тяжелые меньшую. Затем влетают в длинную трубу — масс-спектрометр. Из-за различия скоростей маленькие (легкие) долетают до детектора первыми, те, что тяжелее, последними. Сигналы слабые и копятся по 20 минут.
«И вот, к примеру, я точно знаю, что сегодня наблюдаю за одним кластером из двух атомов золота, одним кластером из трех атомов и так далее до двадцати пяти. Геометрии у них могут различаться очень сильно даже при изменении массы на 1 атом. Есть удивительные формы. Например, золото, является единственным в таблице Менделеева элементом, в котором из-за его тяжелой массы ядра проявляются релятивистские эффекты, влияющие на электронные орбитали. Из-за этого кластеры золота имеют аномально плоские формы аж до 12 атомов (для отрицательно заряженных), в то время как кластеры из других атомов становятся уже трехмерными начиная с 4–7 атомов. Потом кластеры из 16–18 атомов золота начинают образовывать полые клетки, подобно фуллеренам C60, куда можно помещать инородный атом и посредствам перераспределения электронов на орбиталях сильно менять химические и оптические свойства всего кластера», — объяснил Владимир Кайдашев.
Вот как раз возможность таких изменений оптических и химических свойств внесением инородных атомов Владимир Евгеньевич и изучал. Один цикл измерения длился четыре месяца по восемь часов в день, подготовка к новому циклу занимала ещё два-три месяца, но Владимир Кайдашев сделал это с целой серией атомарных кластеров.
Наиболее стабильные формы будут очень эффективными химическими катализаторами будущего. Кстати, менее месяца назад ученые наконец-то впервые получили монослой золота и по аналогии с графеном назвали его «гольден». Это уже не металл, а полупроводник.
«Для меня это было очень ожидаемо, о чем я не раз говорил своим коллегам: электронные спектры маленьких плоских кластеров золота, которые я изучал в 2011–2014 годах, были тоже дискретные, вид сетки из атомов разительно напоминает плоские золотые кластеры, размноженные во все стороны», — отметил Владимир Кайдашев.
Продолжать дело родителей, особенно научную династию — это значит неизбежно столкнуться со сравнением. Владимиру Евгеньевичу нравилось работать вместе с отцом над оксидом цинка и другими проектами, но хотелось доказать себе и другим, что и сам он на многое способен. Для него тема атомарных кластеров была глотком свежего воздуха, потому что это одно из немногих направлений нанофизики, в котором никогда не работал Кайдашев-отец, а значит, Кайдашев-сын мог добиться самостоятельных результатов.
«Как Евгений Михайлович оставил нам первые в своём роде материалы в виде плёнок, наностержней и методы их получения, так и я впервые измерил свойства оптического поглощения особенно стабильных («магических») кластеров Au20 и всего остального ряда, экспериментально показал, как можно менять свойства атомов платины, влияя на ее электронные уровни и реакционную способность при помощи соседних атомов. Это мой кирпичик в стене мировой науки», — подытожил Владимир Кайдашев.
Будущее нанотехнологий
В 2018 году Евгений Михайлович Кайдашев защитил докторскую диссертацию на тему «Создание и исследование элементов новых радиофизических устройств на основе тонких пленок и одномерных наноструктур».
Последние годы своей жизни он преподавал у студентов и готовил физиков-практиков в своей лаборатории, анализировал очень много научной литературы и обсуждал её с сыном и своими аспирантами. Девизом всей его жизни были слова: «Дорогу осилит идущий». Изнурительно жарким вечером накануне его внезапного ухода летом 2023 года они с сыном долго обсуждали, сможет ли человек когда-нибудь изучить свой мозг – то есть не просто измерить все импульсы нейронов и построить карты активности, а понять сам феномен мозга как открытой системы, взаимодействующей с другими системами и занимающейся самопознанием.
Владимир Евгеньевич Кайдашев сейчас в ЮФУ занимается получением и измерением различных модификаций наноматериалов на основе диоксида ванадия. Именно VO2 Владимир считает одним из наиболее перспективных материалов для создания метаповерхностей.
Метаповерхности — это абсолютно плоские оптические устройства. Подобно тому, как привычный нам объектив фотоаппарата увеличивает и уменьшает изображение с помощью линз, оптоволоконные сети обеспечивают нам проводной интернет, проводя сигнал по объёмным каналам. Если представить мир, где метаповерхности стали доступны всем, то линзы для фотоаппарата в нем совершенно плоские, и, чтобы навести зум, “линзу” в некоторых местах нужно подогреть. Звучит не очень удобно, только если представлять рабочий день фотографа из этого мира буквально, но ведь менять свойства метаповерхностей будут микроконтроллеры, да и не только с помощью температуры, но и с помощью электрического тока или даже света.
Диоксид ванадия (VO2) можно переключать из диэлектрического в металлическое состояние не только при помощи изменения температуры, нагрева током, но и светом, электрическим полем и даже механическими напряжениями. При этом, если тепловое и токовое переключение — это уже сегодняшняя реальность, то использование изменяемых световых картинок или голограмм для переключения – это технология будущего, которая, хоть и пока в черновом виде, но уже есть на вооружении лаборатории Наноматериалов Южного федерального университета.
«Если ты можешь контролировать локальную температуру чувствительной к теплу функциональной структуры из оксида ванадия, то ты можешь гибко управлять ее свойствами. Если есть возможность управляемо зафиксировать состояние одного «пикселя» метаповерхности в некотором состоянии между проводимостью диэлектрика и металла, то можно плавно менять оптические свойства внутри волнового фронта плавно или «градиентно». Сейчас даже нет аналогии, на которой можно объяснить обывателю, насколько градиентная оптика будет превосходить по всем параметрам дискретную. Это не только новое поколение оптических приборов, но и новое поколение компьютерных вычислений», — поделился Владимир Кайдашев.
Учёный добавил, что это будет сравнимо с переходом от аналоговой электроники к цифровой. В настоящий момент группа ученых лаборатории Наноматериалов ЮФУ в рамках проекта РНФ под руководством Владимира Кайдашева работает над созданием активных инфракрасных и терагерцовых метаповерхностей, то есть металинз, способных динамически изменять свое фокусное расстояние и перестраиваемых дифракционных решеток, способных изменять свою разрешающую способность.
Будущее династии
Супруга Владимира, Екатерина Сергеевна Кайдашева, тоже кандидат физико-математических наук, она работает в Южном федеральном университете главным программистом Отдела информационных систем, а также является старшим научным сотрудником научной лаборатории «Доказательное образование и учебная аналитика», то есть Екатерина помогает преподавателям ЮФУ оценить эффективность образовательных программ и педагогических методик с помощью статистики.
12-летний сын Александр увлечен конструированием и авиамоделированием, занимается в воскресной математической школе при мехмате и пока говорит, что в науку не собирается. Впрочем, его отец в этом возрасте тоже не собирался продолжать династию физиков-нанотехнологов, а сложилось всё именно так.
«Здорово, когда есть преемственность. Каждый член семьи начинает не с нуля, а стоит на плечах своего родителя. Опыт, сын ошибок трудных, к продолжателю научной династии приходит между делом, уже прожитый предками. Нас с отцом даже мама ругала, что мы, где бы ни находились, обсуждали науку. Другому, может быть, чтобы иметь такую начитанность и погруженность в исследовательский дискурс, нужно на десяток конференций съездить, на круглых столах подискутировать, а мы с отцом деревья на даче целый день поливали и попутно обсуждали всё то же самое», — подвёл итог Владимир Кайдашев.
Читатели публикаций Евгения Кайдашева знают только про те его эксперименты, которые удались, и только Владимиру Евгеньевичу из неформального общения известно и про все неудачные, где, что и почему пошло не так. У физиков-экспериментаторов опыт — главное богатство, которое можно только заработать самому, набивая шишки. И лишь немногим счастливчикам годы опыта достаются по наследству.
