Нанотехнологии

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»)