![](/bundles/app/v2/frontend/images/Prof+button.png?version=2.7_39)
Одно из 13-ти направлений научно-технологической
проектной образовательной программы «Большие вызовы»
Информационная поддержка программы — konkurs@sochisirius.ru
Нанотехнологии представляют собой совокупность химических, физических или «искусственных» биологических процессов, позволяющих контролируемо работать с нанообъектами, формирующими различные материалы, устройства или технические системы. Особенностью нанотехнологий является широкое использование процессов самоорганизации, самосборки и синтеза, которые могут в сложно организованной системе привести к формированию множества необходимых упорядоченных структур (наноструктур), проявляющих требуемые практически важные (функциональные) свойства.
Нанотехнологии являются всеобъемлющим направлением, без достижений которого невозможно развитие ни одной из отраслей современной экономики. В связи с чем, проблемное поле для исследований и проектной деятельности является весьма широким. В этом году выполняемые проекты в рамках направления охватывают проблемы таких отраслей, как медицина и биотехнологии, экология и современное растениеводство, современная энергетика и космос, микроэлектроника и инновационное исследовательское оборудование и системы и др.
Школьники проходят путь от погружения в проблематику самого направления, освоения современных методов исследования и принципов разработок в сфере высоких технологий до решения практических задач вышеприведенных отраслей. Каждый проект имеет свой спектр партнеров, которые работают в реальных секторах экономики.
1. Разработка и создание научно-исследовательского комплекса для экспериментов в космосе в области нано в общероссийском формате
2. Морфология поверхности титановых имплантов: влияние на функциональные свойства материала и возможность получения биосовместимых покрытий
3. Разработка самоочищающихся фильтров для лицевых масок на основе пористого полимера, плазмонных и фотокаталитически активных наночастиц
4. Создание и исследование поверхностных функциональных наноматериалов с заданными свойствами
5. Получение наночастиц для борьбы с грибными болезнями растений
Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)
1. Разработка и создание научно-исследовательского комплекса для экспериментов в космосе в области нано в общероссийском формате
Руководители проекта: Логинов Б.А., Оразов И.В., Логинов А.Б.
Аннотация: Создание современных прецизионных научно-исследовательских комплексов является очень сложной и многокомпонентной задачей, решение которой требует сочетания классических и инновационных технологические решений и подходов. Данные обстоятельства требуют от создателей как изучение существующих технологий, так и разработки новых.
Став участником данного проекта, вы подробно изучите принципы работы и конструкцию зондовых микроскопов (СЗМ), самых современных из всех существующих типов микроскопов, вплоть до того, что разберете их «до винтика», рассмотрите, соберете обратно и подробно происследуете с помощью них строение многих присланных нам со всех сторон России перспективных для построения космических аппаратов материалов с точностью до атомов. При этом научитесь обрабатывать и анализировать СЗМ-кадры, а также оформлять научно-исследовательские отчеты и публикации как это принято в мире. Вы обучитесь работе на плазменной установке, сами будете «включать» плазму и воздействовать ею на присланные партнерами материалы аналогично воздействию солнечного ветра в открытом космосе, исследовать с помощью зондовых микроскопов на наноуровне степень их разрушения после этой обработки.
Чтобы понимать какие космические аппараты будут посылать вам информацию из космоса, вы разберете созданный в «Сириусе» на смене «Большие вызовы» в 2021 году прототип первого в мире исследовательского спутника Земли с зондовым микроскопом на борту, изучите его системы, соберете обратно и научитесь создавать дополнительные для него электронные блоки (ЭБ), конструировать электронные схемы, трассировать платы, паять и настраивать ЭБ, с оформлением конструкторской документации на них. Мы проведем с вашим непосредственным участием сеансы космический связи с находящимися на орбитах спутниками, с получением, дешифрацией и обработкой данных.
Кроме того, вы сыграете роль центральной группы, подтягивающей на себя сверстников со всей России для создания команды, которая будет работать в этом проекте несколько последующих лет. Для этого мы проведем несколько семинаров и экспериментов, в которых будут онлайн участвовать школьники из создающихся по модели «Сириуса» региональных центров выявления и поддержки одаренных детей со всей России.
Партнеры проекта: акционерное общество «Завод Протон», национальный исследовательский университет «МИЭТ», Орловский государственный университет имени И.С.Тургенева, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Фонд содействия инновациям
2. Морфология поверхности титановых имплантов: влияние на функциональные свойства материала и возможность получения биосовместимых покрытий
Руководитель проекта: Грибанов Е.Н.
Аннотация: Разработка и производство титановых имплантов является одним из интенсивно развивающихся направлений научно-технической деятельности в медицинской промышленности. Они включают разработку новых материалов, технологий проектирования, производства и контроля качества, а также совершенствование производственной базы. Доля российских производителей полуфабрикатов титановых сплавов составляла порядка 12-15% от общего объема используемых в медицинской практике. При этом многие отечественные производители вынуждены приобретать титановые полуфабрикаты за рубежом — в Германии, Швейцарии, Австрии, что с введенными санкциями и напряженной геополитической обстановкой делает данные материалы дефицитными. В настоящее время импортозамещение становится безальтернативной мерой.
Импланты на основе титановых сплавов значительно опережают своих конкурентов по коррозионной стойкости и биологической инертности. Тем не менее их широкое использование в медицине связано с рядом проблем, например: низкое качество полуфабрикатов из-за нарушения или несовершенства технологии производства; сложность и трудоемкость технологии производства; необходимость повышения биосовместимости имплантов. Известно, что ключевую роль при решении данных проблем играет особенности поверхности материалов на основе титановых сплавов и соответствующих изделий.
Целью проекта является систематическое изучение влияния особенностей морфологии поверхности титановых имплантов на их функицональные свойства (контроль технологии производства), а также получение на их поверхности покрытий повышающих биологическую совместимость. Задачи:
1. Систематическое изучение особенностей технологии получения титановых имплантов, принципов и методов контроля качества готового изделия.
2. Систематическое изучение морфологии поверхности титановых имплантов различной природы и выявления ее особенностей.
3. Выявление корреляционной зависимости между качеством готового изделия, технологией получения и морфологией его поверхности.
4. Модифицирование поверхности титанового импланта пленками оксида титана, алюмосиликатов, гидроксиаппатита различными методами («золь-гель», электрохимический и др.).
5. Систематическое изучение морфологии полученных композиционных материалов и их биологических свойств.
Результаты решения предложенных задач представляют интерес для партнеров проекта, профильных предприятий реального сектора экономики, производящих импланты, а также для научно-исследовательских коллективов, занимающихся изучением свойств и совершенствованием способов получения нанообъектов и наноматериалов.
Партнеры проекта: Группа компаний «Остек», общество с ограниченной ответственностью «Смарт-Титан», Орловский государственный университет имени И.С.Тургенева
3. Разработка самоочищающихся фильтров для лицевых масок на основе пористого полимера, плазмонных и фотокаталитически активных наночастиц
Руководитель проекта: Бондаренко А.В., Гирель К.В.
Аннотация: Маски для лица являются одним из основных средств индивидуальной защиты, которые используются для предотвращения попадания микробов, находящихся в воздухе, через верхние дыхательные пути в организм человека. Действие большинства существующих в настоящее время масок для лица основано на принципе фильтрации воздуха. В состав масок входят фильтрующие пористые материалы, размеры пор которых определяют, какие частицы будут в них задерживаться. После контакта с вирусами или бактериями маска превращается в источник инфекции, которая может передаваться через прикосновение к ее поверхности. При этом в случае применения масок для лица большим количеством пользователей высока вероятность чрезвычайно быстрого распространения инфекции. Кроме того, необходимо учитывать, что диаметр многих микроорганизмов варьируется в пределах от 100 до 200 нм. Изготовление фильтров с такими размерами пор до сих пор является нетривиальной задачей, которую особенно сложно решить в случае возникновения необходимости обеспечения граждан многих стран миллионами масок в кратчайшие сроки. Таким образом, поиск новых материалов для лицевых масок, которые обладают не только фильтрующими, но стерилизующими свойствами, является актуальным направлением научных исследований.
Решение этой проблемы будет найдено в ходе выполнения настоящего проекта при помощи наноматериалов со специфическими оптическими свойствами. Будет разработан принципиально новый подход к изготовлению фильтров для лицевых масок, которые не только задерживают, но и дезактивируют вирусы и бактерии при воздействии излучения общедоступных источников, включая лампы дневного света и солнце. Функция самостерилизации будет реализована при помощи композитного фильтрующего материала из пленки пористого полимера, содержащего наночастицы на основе TiO2 в качестве антимикробного агента.
При этом планируется исследовать закономерности формирования и изучить свойства как пленок, содержащих только фотокаталитически активные наночастицы, способные дезактивировать микроорганизмы при использовании источников излучения ультрафиолетового и видимого диапазона, так и пленки, дополнительно модифицированные композитами на основе плазмонных наноструктур, которые будут способствовать очищению за счет локального нагрева до температуры денатурации белков в патогенах. Будет разработана методика «литья» пористой ленты полимерного фильтра, обеспечивающего плавный поток воздуха, сопровождающийся задержкой вирусов и бактерий.
Партнеры проекта: общество с ограниченной ответственностью «Сол Инструментс», национальный исследовательский университет «МИЭТ», научно-исследовательская лаборатория «Прикладная плазмоника» Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники
4. Создание и исследование поверхностных функциональных наноматериалов с заданными свойствами
Руководитель проекта: Жуков М.В.
Аннотация: Вопросы создания и исследования материалов с новыми функциональными поверхностными свойствами в области трения, износа, электропроводимости, шероховатости, адгезии, антибактериальных свойств приобретают все большее значение в современном мире. Традиционный подход до сих пор опирается в большей степени на прикладные технические дисциплины, основанные на эмпирических данных, нежели на фундаментальные физические принципы. Тем не менее, для создания материалов с новыми заданными физическими свойствами требуется детальное изучение возникающих на сверхмалых размерах новых физических явлений, которые напрямую связаны со свойствами поверхности (морфологией структур, шероховатостью поверхности, силами адгезии и т.п.). Для изучения сложных развитых морфологических свойств поверхности уже недостаточно устаревших традиционно используемых подходов. В качестве инструмента изучения и предсказания морфологии поверхности в последние годы активно используется метод топологического анализа данных (ТАД), основанный на применении нейросетей, диаграмм устойчивости и баркодов, основанный на машинном обучении.
В данном проекте будет использован метод ТАД в 8D пространстве данных, позволяющий комплексно изучать и потенциально прогнозировать отдельные особенности создаваемых функциональных наноструктур (ФН). Для создания и изучения поверхности ФН будут применены современные подходы в области нанотехнологий: сканирующая зондовая микроскопия, оптическая микроскопия и спектроскопия, потенциометрия, молекулярные самосборки, каликсареновые и полионные сборки, реакционно-диффузные системы, аддитивные технологии и т.д. В рамках проекта планируется решить задачи по разработке технологии создания и методике детального изучения функциональных материалов с заданными поверхностными свойствами: пьезоактивных пленок, супергидрофобных материалов, антибактериальных поверхностей, ионных сенсоров, самозалечивающихся пленок, наноматериалов с заданными трибологическими свойствами и т.п.
Партнер проекта: Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО)
5. Получение наночастиц для борьбы с грибными болезнями растений
Руководитель проекта: Поливанова О.Б., Хлебникова Д.А.
Аннотация: Защита растений от различных болезней в условиях современного мира требует экономически эффективных и экологически безопасных подходов. Разработка новых наноматериалов для сельского хозяйства может стать одним из решений данной проблемы. В рамках предлагаемого проекта будут проведены работы по разработке и получению новых наноматериалов (металлоидов, оксидов металлов, неметаллов, наноэмульсий, нанокомпозитных материалов и др.) и определена их эффективность в борьбе с грибными заболеваниями растений. Также будет проведена оценка токсичности полученных препаратов на организмы исследуемых растений. В результате работы будут предложены перспективные материалы и подходы для борьбы с грибковыми заболеваниями у важных сельскохозяйственных культур с применением нанотехнологий.
Партнеры проекта: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А.Тимирязева», бюджетное общеобразовательное учреждение Орловской области «Созвездие Орла», государственное автономное нетиповое образовательное учреждение «Региональный центр выявления, поддержки и развития способностей и талантов у детей и молодежи» («ОГМА»)
Ведущий конструктор АО «Завод-ПРОТОН» (г. Зеленоград), начальник научно-исследовательской лаборатории атомной модификации и анализа поверхности полупроводников, старший преподаватель кафедры квантовой физики и нанотехнологий Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ)
Техник-конструктор АО «Завод-ПРОТОН» (Зеленоград), бакалавр Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ), выпускник программ «Большие вызовы» (2017–2019)
Инженер-конструктор АО «Завод-ПРОТОН» (г. Зеленоград), аспирант физического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
Доцент кафедры химии Орловского государственного университета имени И.С.Тургенева, кандидат химических наук
Старший научный сотрудник Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ), кандидат технических наук
Научный сотрудник Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ)
Инженер-исследователь физико-технического факультета Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), кандидат технических наук
Сотрудник лаборатории научно-образовательного центра инфохимии, бакалавр национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО)
Доцент Российского государственного аграрного университета – Московской сельскохозяйственной академии имени К.А.Тимирязева
Старший преподаватель Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К.А.Тимирязева, кандидат биологических наук
Научный руководитель химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова, вице-президент и академик Российской академии наук, доктор химических наук
Директор проектного офиса, доцент кафедры экспериментальной и теоретической физики Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева, старший методист Регионального центра Орловской области «Созвездие Орла», методист направления «Нанотехнологии» проектной программы конкурса «Большие вызовы», кандидат физико-математических наук