Новые материалы и нанотехнологии

Направление «Новые материалы и нанотехнологии» представляет собой динамичную междисциплинарную область науки, сосредоточенную на разработке, исследовании и применении материалов с уникальными свойствами на наноуровне. Оно объединяет различные учебные дисциплины и сферы знания, такие как физика, химия, биология, инженерия и их стыковые области, что позволяет создавать инновационные решения для множества научных и производственных задач.

Создание новых материалов неизменно служит движущей силой прогресса человеческой цивилизации на протяжении тысячелетий. Изменения в укладе жизни напрямую связаны с открытием и освоением производства новых материалов, которые становятся не только основой технического прогресса, но и ключевыми этапами развития цивилизации: от каменного века, знаменовавшего первые шаги в обработке природных ресурсов, до эпох бронзы, железа, а затем — полимеров и наноматериалов.
С развитием точных наук, совершенствованием приборостроения и методов переработки материалов материаловедение перешло из разряда искусства в фундаментальную науку, значимость которой с каждым годом возрастает. Анализ исторических связей между свойствами материалов и инженерными достижениями подтверждает ключевую роль материаловедения в формировании будущего нашей цивилизации.

В 21-м веке требования к материалам в передовых отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, автомобильная и электронная, постоянно возрастают. Одним из направлений, которому уделяется особое внимание в промышленно развитых странах, являются «умные» материалы, из которых изготавливаются конструкции с адаптивно изменяющимися свойствами. Разрабатываются «умные» обшивки корпусов морских судов, самоупрочняющиеся лопасти вертолетов и звукопоглощающие промышленные конструкции. Способность получать вещества и материалы с заданными свойствами становится неотъемлемым условием развития человечества. Когда природа не может предоставить необходимые качества, человеку приходится создавать их искусственно, и именно вам предстоит разрабатывать эти материалы и технологии в недалеком будущем.

Нанотехнологии играют ключевую роль в этом процессе, представляя собой совокупность химических, физических и «искусственных» биологических процессов, позволяющих контролируемо работать с нанообъектами для формирования различных материалов, устройств и технических систем. Их особенностью является широкое использование процессов самоорганизации, самосборки и синтеза, что позволяет создавать упорядоченные структуры (наноструктуры) с необходимыми функциональными свойствами.
Нанотехнологии являются всеобъемлющим направлением, без достижений которого невозможно развитие ни одной из отраслей современной экономики. Проблемное поле для исследований и проектной деятельности в этой области весьма широкое. Проекты в рамках направления «Нанотехнологии» охватывают такие сферы, как медицина и биотехнологии, квантовые технологии, экология и современное растениеводство, энергетика, космос и микроэлектроника. Ежегодно Нобелевские премии присуждаются ученым за достижения в области нанотехнологий.
Работа в области новых материалов и нанотехнологий формирует навыки применения и разработки междисциплинарных подходов к решению исследовательских, прикладных и инженерных задач, нестандартного творческого мышления и необходимых компетенций управленцев высокотехнологичных производств.

1. Создание бактерицидных биозащитных масок на основе полимерной паутины с серебряными нанопроволками

Аннотация: В рамках проекта участники успешно разработали инновационные нетканые композитные материалы для средств индивидуальной защиты на основе полимерных микроволокон и серебряных нанопроволок. Они провели тщательный подбор оптимального соотношения компонентов, оптимизировали параметры электроспиннинга и выполнили комплексное исследование полученных материалов с использованием современных методов анализа, включая механические испытания, электронную микроскопию и оценку биосовместимости.В ходе работы команда решила ключевые проблемы традиционных медицинских масок: низкую эффективность фильтрации вирусов, недостаточное прилегание, дискомфорт при длительном ношении и экологические вопросы утилизации. Разработанный материал продемонстрировал высокую фильтрующую способность благодаря наноструктурированной поверхности, бактерицидные свойства за счет серебряных нанопроволок, улучшенную воздухопроницаемость и возможность многократного использования. Полученные результаты легли в основу прототипа нового поколения СИЗ — комфортных, эффективных и экологичных. Технология может быть масштабирована не только для медицинских масок, но и для других видов защитного оборудования, открывая перспективы для промышленного внедрения.

Партнер: Научно-технологический университет «Сириус»

2. Исследование и реализация моделей возникновения и регистрации космической пыли

Аннотация: Первый в мире космический зондовый микроскоп, созданный совместными усилиями ОЦ Сириус (Большие вызовы 2021, 2022, 2023, 2024 годов), МИЭТ и Завода ПРОТОН из города Зеленоград, а также Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева - успешно работает в космосе уже более полутора лет в рамках миссии КА "Нанозонд-1". С него впервые в мире получены кадры разрушения металлической поверхности непосредственно в условиях открытого космоса. Высокое увеличение микроскопа позволило увидеть и процессы разрушения поверхности солнечным ветром, и осевшие частицы пыли нанометрового размера. Эти новые для понимания данные привели к возникновению идей и разработке двух принципиально новых моделей - новой физической модели образования космической пыли из соединяющихся между собой атомов, испарившихся под действием солнечного ветра с поверхности космических кораблей, а также новой модели чувствительного прибора на квантовом принципе для регистрации сверхмалых частиц космической пыли нанометрового размера. Обе эти связанные между собой модели планируется впервые в мире попробовать реализовать в проекте на программе «Большие вызовы».

Партнер: АО «Завод ПРОТОН»
 

3. Разработка новой концепции прецизионного анализа материалов мемристорных наноструктур

Аннотация: В мировой практике для высокоточного анализа морфологии наноструктур при разработке новых материалов микро- и наноэлектроники широко используются методы (СЭМ, ПЭМ, ВИМС и т.д.), которые требуют подключения оборудования к сетям высокого и сверхвысокого напряжения, возможности обеспечения вакуума в рабочей камере и подачи в нее инертных газов. Менее прихотливые методы характеризации наноматериалов не позволяют выполнить адекватный молекулярный анализ объектов с размерами менее 20 нм. Для решения этой проблемы подходит рамановская спектроскопия, которая хорошо зарекомендовала себя при изучении графенсодержащих покрытий. Однако в отношении уверенной регистрации рамановских спектров 2D наноструктур полупроводников и диэлектриков, которые активно исследуются в течение последних лет с целью разработки мемристоров нейронных чипов, данных в открытых источниках информации на сегодняшний день не имеется. Настоящий проект направлен на развитие эффективного подхода для повышения чувствительности рамановской спектроскопии, который позволяет детектировать единичные молекулы. Это обеспечивается за счет комбинации конфокального микроскопа, рамановского спектрометра и плазмонных наноструктур металлов. Метод анализа в этом случае называют спектроскопией поверхностно-усиленного рассеяния света (surface-enhanced Raman scattering - SERS), а плазмонные наноструктуры металлов – SERS-активными материалами. Идея адаптации метода SERS-спектроскопии для анализа 2D наноструктур, которые разрабатываются под решение актуальных задач микро- и наноэлектроники, в том числе для создания мемристоров в нейронных чипах, является абсолютно новой и открывает перспективы надежного и максимально информативного  экспресс-анализа их молекулярной структуры для выбора оптимальных режимов и условий технологических операций.
В качестве основного результата выполнения проекта будет выступать инновационная методика прецизионного анализа материалов мемристорных наноструктур. Работоспособность методики будет продемонстрирована с использованием натурных образцов, модифицированных плазмонными наноструктурами, при помощи анализа на рамановском микроскопе-спектрометре. Будет подготовлено детальное описание методики для дальнейшего патентования, а также разработан бизнес-план для трансфера результатов выполнения проекта в реальный сектор экономики.

Партнер: Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

4. Конструкционный  электропроводящий композит модифицированный наночастицами

Аннотация: В рамках проекта успешно разработан инновационный полифункциональный композитный материал на основе стеклоткани, полипропилена и углеродных наночастиц, сочетающий высокую механическую прочность с электропроводными свойствами. Участники проекта глубоко изучили физико-химические основы композиционных систем, освоили технологии механического диспергирования и термопрессования, а также провели комплексный анализ полученного материала, включая исследование его механических и электропроводных характеристик. Разработанный материал позволяет существенно снизить вес конструкций благодаря высокой удельной прочности, одновременно обеспечивая электропроводность для защиты от статического электричества и сохраняя стабильность структуры в различных эксплуатационных условиях. Эти уникальные свойства делают материал перспективным для применения в авиа- и автомобилестроении, где критически важны как малый вес, так и многофункциональность. Полученные результаты создают основу для дальнейшей оптимизации состава и расширения функциональных возможностей материала, открывая новые перспективы для создания легких и эффективных конструкционных решений.

Партнер: Институт общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН

5. Дизайн полиуретановых материалов для ключевых отраслей промышленности

Аннотация: В ходе исследования разработана комплексная база данных 43 полиуретановых материалов с детальными характеристиками их составов (полиолы, изоцианаты, добавки) и свойств. Для 35 образцов экспериментально определена твердость по Шору, а методом ДСК установлены температуры стеклования. Проведено квантово-химическое моделирование (метод Хартри-Фока) и расчет структурных дескрипторов (RDKit) для ключевых компонентов, включая термодинамические и топологические параметры. Полученные данные послужили основой для обучения моделей машинного обучения, направленных на прогнозирование свойств новых полиуретановых систем на этапе разработки рецептур. Это позволит оптимизировать ресурсы и ускорить создание материалов с заданными характеристиками. В перспективе база будет дополнена механическими (модуль Юнга) и спектральными (ИК) данными, что расширит её прогностические возможности.

Партнер: Университет ИТМО

6. Разработка композита на основе PVDF c усиленными пьезоэлектрическими свойствами посредством упорядочения магнитных микро- и наночастиц

Аннотация: Современная робототехника и бионическое протезирование требуют создания сенсорных систем, способных воспроизводить тактильную чувствительность, сопоставимую с человеческой кожей. Ключевой вызов заключается в разработке гибких, износостойких и высокочувствительных материалов, которые могли бы интегрироваться в сложные поверхности (например, кончики пальцев роботов или протезов) без потери функциональности. Одним из перспективных решений являются гибкие пьезоэлектрические сенсоры на основе поливинилиденфторида (PVDF). 

Партнер: ФГАОУ ВО «Балтийский федеральный университет им. И. Канта»

7. Наноструктурированные антикоррозионные покрытия для сталей в агрессивных средах

Аннотация: Проект направлен на создание инновационных антикоррозионных составов на основе наноразмерных частиц (НЧ), которые могут стать экономичной и технологичной альтернативой традиционным решениям. Нанотехнологический подход позволяет использовать уникальные свойства материалов на наноуровне: высокая удельная поверхность частиц усиливает барьерные свойства покрытий, а их химическая активность способствует пассивации поверхности металла, замедляя электрохимические реакции коррозии. В рамках проекта предлагается исследовать несколько типов НЧ, таких как оксид цинка (ZnO), диоксид кремния (SiO₂) и графен, которые уже доказали свою эффективность в аналогичных задачах. Например, ZnO обладает способностью «самозалечивать» микроповреждения покрытия за счет реакции с влагой, а графен формирует непроницаемый для ионов слой.

Партнер: ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет»

8. Наноразмерное многофункциональное покрытие на нержавеющей стали, полученное лазерной и химической модификацией

Аннотация: В ходе реализации проекта успешно разработан инновационный экологически безопасный метод двухстадийной обработки хромоникелевой нержавеющей стали, сочетающий лазерную модификацию поверхности с последующим нанесением нетоксичного триалкоксисиланового покрытия. Полученные нанопокрытия демонстрируют комплекс многофункциональных свойств: супергидрофобность, выраженные самоочищающиеся и антиобледенительные характеристики, а также 10-кратное повышение коррозионной стойкости в агрессивных средах. Важными преимуществами разработанной технологии являются ее экономическая эффективность, экологическая безопасность за счет отказа от хроматирования, а также возможность снижения эксплуатационных затрат на 25-30%. Полученные результаты открывают перспективы для промышленного внедрения технологии в судостроении, авиационной промышленности и нефтегазовом секторе, где требуется надежная защита металлоконструкций от коррозии, обледенения и загрязнения в условиях агрессивных сред.

Партнер: ФГБУН «Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН»