Нещодавно дослідження науковців кафедри фізики твердого тіла «Розмірні ефекти, фото- і термостимульовані процеси в новітніх функціональних матеріалах на основі фероїків, перовскітів і напівпровідників» (проєкт 2025.07/0046) здобуло грантове фінансування Національного фонду досліджень України в рамках конкурсу «Передова наука в Україні 2026-2028». Проєкт присвячений розробці та вивченню матеріалів, що мають широке застосування, зокрема, у сферах альтернативної енергетики, автономних джерел живлення, медичної діагностики, радіаційного контролю та фундаментальної фізики.
До команди, яка працює над проєктом, входять науковці: професор Володимир Капустяник, доцент Олег Бовгира, доцент Юрій Еліяшевський, доцент Борис Турко, доцентка Марія Коваленко, доцент Юрій Чорній, завідувач лабораторії низьких температур та наноматеріалів центру нанооб’єктів і низьких температур Володимир Коломієць, аспірантка Олена Віра.
Керівник проєкту професор Володимир Капустяник.
Одним із ключових напрямів проєкту є розробки у сфері альтернативної енергетики. За словами науковців, сонячні панелі, які зараз є найбільш поширеними, виготовляють на основі складних напівпровідникових гетероструктур. Вони досить дорогі та не надто ефективні, що обмежує їхнє широке впровадження. У межах проєкту вчені досліджують альтернативні матеріали для виготовлення таких панелей, аби запропонувати значно дешевшу технологію сонячної енергетики.
В контексті дослідження мова йде про вивчення і застосування перовськітів – шаруватих монокристалічних матеріалів з сегнетоелектричними властивостями. Пластина перовськіта з двома електродами здатна генерувати електричний струм, а потенційна вартість цих матеріалів може бути значно нижчою за сучасні аналоги. Втім, насамперед важливо досягти відповідної енергоефективності, над чим зараз і працює команда.
Виконавці проєкту є провідними спеціалістами в галузі нанотехнологій і надають допомогу фахівцям з інших факультетів у дослідженні наноструктурованих матеріалів
«Ще одним вектором наших досліджень, яке є відгалуженням від вивчення сонячних елементів, є створення на основі перовськітів так званих ядерних батарей. Для того, аби вони працювали не потрібне видиме сонячне світло, натомість використовується іонізаційне випромінювання – гамма-кванти, Х-промені, альфа- та бета-частинки. Такі автономні джерела живлення можуть застосовуватися в далекому космосі, де сонячні батареї неефективні, адже Сонце – далеко. Також їх можна застосувати у медицині, зокрема для живлення імплантованих в тіло пристроїв, які мають працювати роками без заміни елементів живлення», – пояснює Володимир Капустяник і додає: «Наукові результати, що стосуються основ розробки такої ядерної батареї, ми вже опублікували в одному з провідних журналів «Applied Materials & Interfaces» у спеціальному випуску, присвяченому українській науці у сфері функціональних матеріалів».
Виконавці проєкту здійснюють пошук ефективних сцинтиляторів-перовскітів для експериментів в галузі фізики високих енергій та реєстрації іонізаційного випромінювання.
Іншим не менш важливим напрямом в межах проєкту є розробка матеріалів для реєстрації іонізаційного випромінювання – сцинтиляторів. Вони лежать в основі сучасних методів діагностики, зокрема комп’ютерної томографії та позитронно-емісійної томографії (ПЕТ). Крім того, для контролю іонізаційного випромінювання використовують термохромні матеріали, які змінюють колір під впливом температури або певної дози опромінення. Такі матеріали можуть слугувати елементами індивідуального радіаційного контролю – наприклад, для працівників атомних електростанцій або військових у випадку надзвичайних ситуацій.
Наукові обговорення.
Вивчення реєстрації іонізаційного випромінювання пов’язане і з дослідженнями у фізиці високих енергій – зокрема з роботою Великого адронного колайдера. У таких установках широко використовують сцинтилятори для реєстрації частинок. Саме за допомогою сцинтиляційних детекторів, серед іншого, було зафіксовано бозон Гіґґса. Тому напрацювання вчених Університету є важливими і у сфері фундаментальної науки.
«Наш проєкт також охоплює розробку матеріалів для ефективного відведення тепла в електроніці. Йдеться про термопасти з додаванням відновленого оксиду графену, які мають значно вищу теплопровідність порівняно з традиційними матеріалами. Такі термопасти необхідні як для цивільної електроніки, так і для військових застосувань, де відведення тепла і теплове маскування є критично важливими. Попередні результати досліджень показують можливість підвищення коефіцієнта теплопровідності приблизно у сім разів», – акцентував Володимир Капустяник.
В рамках проєкту розробляються термохромні мікрокомпозити для сенсорів температури та іонізаційного випромінювання.
Ще один окремий фундаментальний напрям проєкту – дослідження магнітних мультифероїків. Ці матеріали дозволяють записувати інформацію без пропускання електричного струму, що суттєво зменшує нагрівання пристроїв. Наразі більшість таких матеріалів працює за дуже низьких температур (близьких до температури зрідження гелію -269 градусів Цельсія), однак наближення їхніх робочих характеристик до кімнатної температури може відкрити принципово нові підходи до зберігання інформації в комп’ютерах і гаджетах. Зокрема, за словами вчених, такі матеріали можуть стати потенційною основою для функціонування квантових комп’ютерів.
Гелієвий рефрижератор – важливий інструмент для досягнення наднизьких температур і спостереження ключових ефектів у фізиці наноматеріалів і сцинтиляторів.
«Ключовий аспект нашої роботи – це дослідження матеріалів, для створення яких потрібні високі технології. За ініціативою нашої кафедри у співпраці з іншими підрозділами Університету був створений Науково-навчальний центр «Фрактал», який спеціалізується на нанотехнологіях. Ми вміємо виготовляти наноелементи заданого розміру і форми та візуалізувати наноструктури за допомогою електронного та атомного-силового мікроскопів. Відтак, працюючи над проєктом, ми оцінюємо, які матеріали можемо виготовити самостійно, а де доцільно залучати напрацювання закордонних колег», – пояснює Володимир Капустяник і додає, що чимало експериментальних досліджень проводяться спільно з науковими центрами Оксфорда, Штутгарта, Вроцлава, Гамбурга, Анже, Страсбурга.
Як зазначають вчені кафедри фізики твердого тіла, фінансування в межах грантових програм є надзвичайно важливим, оскільки дозволяє забезпечити оплату праці, закупівлю матеріалів і обладнання, сприяє міжнародній мобільності та дозволяє отримати максимально об’єктивну експертну оцінку результатів роботи.
Вітаємо науковців з перемогою у конкурсі та бажаємо натхненної наукової роботи, спрямованої на створення нових матеріалів, що змінять підходи до розвитку сучасних технологій та розширять горизонти їхнього практичного застосування.