help@sochisirius.ru
5-28 июля 2021

Новые материалы

Одно из 12-ти направлений научно-технологической
проектной образовательной программы «Большие вызовы»

Информационная поддержка программы — konkurs@sochisirius.ru

Все направления программы «Большие вызовы-2021»

 

О направлении

Создание новых материалов определяет прогресс человеческой цивилизации на протяжении многих тысячелетий. Вся история человечества связана с разработкой и открытием новых материалов: каменный век, бронзовый век, железный век, век полимеров и наноматериалов. Но только с развитием фундаментальных наук и экспериментальной техники материаловедение из искусства превратилось в науку, значение которой возрастает с огромной скоростью. Изменения укладов жизни человечества связаны с открытием и освоением производства новых материалов.

Материалы это ступени развития нашей цивилизации, а новые материалы это трамплин для прыжка в будущее. Разработка новых материалов одно из важнейших направлений, определяющих развитие всех отраслей промышленности, медицины и сферы услуг.

Уже в ранние исторические эпохи — в каменном, бронзовом и железном веках — появление новых материалов позволяло расширить пределы человеческих возможностей. В 21-м веке требования, возникающие к материалам в передовых отраслях промышленности, в таких, как аэрокосмическая, автомобильная, электронная, требуют все новых и новых материалов.

Одним из направлений, которому во всех промышленно развитых странах уделяется особое внимание, являются «умные» материалы, из которых изготавливаются конструкции с адаптивно изменяющимися свойствами. Разрабатываются «умные» обшивки корпусов морских судов, самоупрочняющихся лопастей вертолетов, звукопоглощающих промышленных конструкций.

Способность получать вещества и материалы с заданными свойствами — это неотъемлемое условия развития человечества. Когда у природы не хватает «фантазии» сделать продукт с нужными качествами, человеку приходится создавать его искусственно. И эти материалы и технологии их получения предстоит разрабатывать вам в недалеком будущем.

Проекты направления

1. Наноматериалы для солнечного паруса
2. Интеллектуальные биомиметические материалы для защиты от ударов
3. Органические солнечные батареи как инновационные решения для современных цифровых и энергосберегающих технологий
4. Симбиоз полимеров и технологий: новые вызовы
5. Оптоэлектроника на основе металло-органических перовскитов
6. Умные метаматериалы-невидимки

Описание проектов
 

1. Наноматериалы для солнечного паруса

Руководители проекта: Гостева Е.А., Жеребцов Д.Д.

Аннотация: Создание солнечных парусов в качестве двигателя космического корабля позволит совершать межпланетные полеты. Однако, материалы, используемые для солнечного паруса должны обладать такими характеристиками как: высокая прочность и отражающая способность, устойчивость к действию ультрафиолета и высоких температур, при этом вес используемого материала должен быть минимальным. Структура материала должна быть ячеистая или с перфорацией, что позволит значительно повысить производительность солнечных парусов.

В рамках проекта участникам будет предложено изучить свойства наноматериалов, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, и предложить модель солнечного паруса, его форму, размер, структуру, способ раскрытия паруса в космическом пространстве, наноматериал или слоистую структуру на основе нескольких наноматериалов, которые позволят реализовать мастер-модель космического корабля для путешествия на Марс.

Партнеры проекта: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

 

2. Интеллектуальные биомиметические материалы для защиты от ударов

Руководители проекта: Статник Е.С., Корсунский А.М., Салимон А.И., Игнатьев С.Д.

Аннотация: Большинство природных конструкционных материалов (древесина, кость, эмаль зубов, скорлупа орехов, раковины моллюсков, панцири насекомых и ракообразных) благодаря особой иерархической структуре из относительно жестких и мягких фаз длительно функционируют в условиях дефицита конструкционной прочности и даже сохраняют свою работоспособность при статических и динамических перегрузках и ударах. Современные инженерные материалы и конструкции редко показывают комбинацию столь же высоких механических свойств, что делает задачу создания новых интеллектуальных биомиметических (природоподобных) материалов особенно актуальной, в частности для создания сейсмоустойчивых зданий, отбойников на скоростных магистралях, индивидуальной защиты военнослужащих, посадочных модулей космических аппаратов и др. Особенно важным аспектом данной задачи является изучение явлений, ведущих к распределению рабочих нагрузок в мягкой фазе в виде сдвиговых напряжений или самозалечивания.

В рамках данного проекта обучающимся будет предложено ознакомиться со структурами ряда природных иерархических материалов и создать масштабные биомиметические аналоги при помощи аддитивных технологий для дальнейших испытаний в условиях статической перегрузки и удара. Для этого обучающимся будет необходимо:

1. Изучить структуру природных материалов (бамбук, кость, скорлупа и т.д.) при помощи высококачественной камеры или оптического микроскопа.
2. Разработать технологию получения масштабных моделей структуры биомиметических материалов при помощи аддитивных технологий (моделирование структуры; полимерная 3D печать жесткой фазы; литье силиконом мягкой фазы).
3. Разработать устройство для статических и динамических испытаний созданных материалов (тест на разрыв, сжатие, изгиб, кручение и т.д.).

Партнеры проекта: Сколковский институт науки и технологий, Центр композиционных материалов и Научно-образовательный центр биомедицинской инженерии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

 

3. Органические солнечные батареи как инновационные решения для современных цифровых и энергосберегающих технологий

Руководители проекта: Иванов Д.А., Аккуратов А.В., Кузнецов И.Е.

Аннотация: Солнечный свет является возобновляемым источником энергии, которая поступает на поверхность Земли в колоссальном количестве. Чрезвычайно важно научиться эффективно преобразовывать энергию света Солнца в электрическую энергию, что поможет в решении комплекса экологических и социально-экономических проблем населения. Среди существующих фотовольтаических технологий одной из наиболее привлекательных на сегодняшний день является органическая фотовольтаика. В отличие от кремниевых солнечных батарей, фотопреобразователи на основе органических материалов могут быть легкими, гибкими, полупрозрачными и растяжимыми. Это открывает новые горизонты для их применения. В частности, мы можем устанавливать гибкие и прозрачные панели на фасады зданий, окна, интегрировать их в одежду (носимая электроника), а также реализовывать инновационные урбанистические проекты.

Другим привлекательным направлением использования органических солнечных батарей является информационная технология «Интернет вещей», объединяющая в единую сеть множество современных электронных устройств (датчики, сенсорные системы и др.), для поддержания работоспособности которых, требуется обеспечить бесперебойное энергоснабжение. Использование органических солнечных батарей в качестве автономных источников энергии для таких систем, является наиболее удобным решением.

В рамках данного проекта мы планируем изучить фундаментальные физико-химические процессы, лежащие в основе работы фотоактивных элементов в контексте модуля «фотоэффект – кремниевая фотовольтаика органическая фотовольтаика». Будут рассмотрены подходы к дизайну нового поколения фотоактивных органических соединений, исследованию их свойств и созданию солнечных батарей на их основе. Участникам проекта будет предложено погрузиться в междисциплинарную исследовательскую работу на стыке химии, физики, инженерии, материаловедения и самостоятельно реализовать практический цикл работ от молекулярного дизайна органических полупроводниковых материалов до изготовления лабораторного прототипа органической солнечной батареи. Молодые исследователи смогут приобрести новые знания и практические навыки в современном органическом синтезе, исследовании оптических и электронных свойств органических полупроводников, изучении принципов функционирования органических солнечных батарей и измерении их характеристик. На финальной стадии будет организована работа по практическому использованию органических солнечных батарей для питания маломощных датчиков.

Партнеры проекта: Институт проблем химической физики РАН, акционерное общество «Группа компаний Инэнерджи»

 

4. Симбиоз полимеров и технологий: новые вызовы

Руководители проекта: Кукурина О.С., Сорока Л.С.

Аннотация: Проектная работа направлена на прикладные исследования по созданию различных полимерных материалов с использованием современных мономеров и процессов их полимеризации. Практические работы разделены на три блока: синтез биополимеров и исследование их свойств, синтетические подходы к созданию новых полимеров (подготовка мономеров, полимеризация и сополимеризация в массе и расплаве, наполнение композиционных свойств), а также исследование свойств полученных полимеров и полимерных материалов. Проектная работа обеспечивается теоретическим и методическим материалом по проведению практических работ.

Партнеры проекта: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, ПАО «Сибур Холдинг»

 

5. Оптоэлектроника на основе металло-органических перовскитов

Руководители проекта: Саранин Д.С., Комаричева Т.О.

Аннотация: В данном направлении будут разработаны перовскитные материалы (MAPbI3, MAPbBr3) для разработки следующих устройств:

1. Датчики умного дома, работающие автономно от перовскитного солнечного модуля в условии низкой освещенности.
2. Мощный солнечный элемент с углеродным электродом из нанотрубок. Новые яркие светодиоды: красного, зеленого и инфракрасного излучения и датчики света на основе монокристаллов перовскита.

Первые две недели проекта будут направлены на практическое обучение по разработке солнечных ячеек и их характеризации с помощью лабораторного оборудования и на освоение сжатой теории по работе солнечных ячеек, выходных характеристик и возможности применения. Вторые две недели проекта каждый участник будет выполнять задачи, сформулированные в его индивидуальной программе по разработке одного из видов устройств на основе перовскита.

Партнеры проекта: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Центр гибридных и органических солнечных батарей (Рим, Италия)

 

6. Умные метаматериалы-невидимки

Руководители проекта: Башарин А.А., Стенищев И.В., Кожокарь М.

Аннотация: Метаматериалы — это периодические структуры, состоящие из элементов различной геометрии. Они могут располагаться периодически или хаотично, образовывать объёмные или планарные структуры. Именно геометрия и расположение элементов «мета–атомов», а не вещества, из которых они состоят, определяют электромагнитные свойства метаматериала. В том же смысле, в каком материалы состоят из атомов, метаматериалы состоят из мета–атомов, которые в свою очередь сами состоят из атомов. Это определяет метаматериалы как новый уровень организации материи. В метаматериалах достигаются свойства, которые невозможно получить в обычных, природных материалах, в том числе и невидмость — возможность скрывать покрытые метаматериалом объекты. Именно такое покрытие будет создано и исследованно в рамках проекта.

Метаматериал будет получен методом химического травления. Для создания умных перестраиваемых свойств покрытия в них будут внедрены элементы электрических схем: pin-диоды, варикапы. Исследование метаматериалов будет проводиться в безэховой мини камере, которую мы создадим с участниками проекта на базе «Сириуса». Будут проведены исследования радиолокационных характеристик скрываемых объектов, а также объектов с покрытиями, будет показано, что такое покрытие может работать как «шапка-невидимка». Это даст возможность создавать покрытия для «глаз» самолетов и кораблей-радаров и другой техники, где необходимость в таком покрытии очевидна. Ведь радар, во-первых, должен быть незаметен и, во-вторых, должен самостоятельно видеть. Очевидно, что Герберт Уэллс в своем романе «Человек-невидимка» ошибался в том, что его персонаж был невидим, ведь если видел он его глаза видели все вокруг! Или, может, Уэллс что-то недоговорил и невидимка использовал умные метаматериалы?! Это позволит выяснить данный проект.

Для этого будут выполнены следующие задачи:

1. Освоена теоретическая база по электродинамике метаматериалов.
2. Выполнено численное моделирование электродинамических характеристик структур метаматериалов.
3. Разработаны принципиальные схемы подключения электрических схем метаматериалов.
4. Разработана и создана мини безэховая камера для исследования характеристик метаматериалов.
5. Созданы образцы метаматериалов.
6. Измерены характеристики метаматериалов.
7. Выполнены исследования «умных» перестраиваемых экранов и проведены испытания для сокрытия радаров и пассивных объектов.
8. Подготовлен отчет и демонстрационный стенд.

Партнеры проекта: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Калужский приборостроительный завод «Тайфун»

Эксперты и руководители проектов

Гостева
Екатерина Александровна

Доцент кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», кандидат физико-математических наук

Жеребцов
Дмитрий Дмитриевич

Научный сотрудник НП «Лаборатория анализа микрочастиц»

Статник
Евгений Сергеевич

Аспирант Центра энергетических технологий Сколковского института науки и технологий

Корсунский
Александр Михайлович

Профессор Сколковского института науки и технологий

Салимон
Алексей Игоревич

Старший инженер Сколковского института науки и технологий

Игнатьев
Семён Дмитриевич

Аспирант кафедры физической химии Института новых материалов и нанотехнологий Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

Иванов
Дмитрий Анатольевич

Заведующий лабораторией перспективных материалов для биомедицины и энергетики Института проблем химической физики РАН, руководитель направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус», профессор, советник руководителя Образовательного фонда «Талант и успех», кандидат физико-математических наук

Аккуратов
Александр Витальевич

Старший научный сотрудник Института проблем химической физики РАН, кандидат химических наук

Кузнецов
Илья Евгеньевич

Младший научный сотрудник лаборатории перспективных материалов для биомедицины и энергетики Института проблем химической физики РАН

Кукурина
Ольга Сергеевна

Доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета, кандидат химических наук

Сорока
Людмила Станиславовна

Доцент отделения химической инженерии Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета, кандидат химических наук

Саранин
Данила Сергеевич

Инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики, ассистент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

Комаричева
Татьяна Олеговна

Инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

Башарин
Алексей Андреевич

Старший научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН, научный сотрудник, доцент кафедры теоретической физики и квантовых технологий Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», кандидат технических наук

Стенищев
Иван Владимирович

Аспирант кафедры теоретической физики и квантовых технологий Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

Кожокарь
Мария

Магистрант кафедры теоретической физики и квантовых технологий Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

Руководители направлений

Астахов
Михаил Васильевич

Заведующий кафедрой физической химии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», научный руководитель Информационно-аналитического центра «Наноматериалы и нанотехнологии», лауреат премии Правительства РФ в области образования, профессор, доктор химических наук

Иванов
Дмитрий Анатольевич

Заведующий лабораторией перспективных материалов для биомедицины и энергетики Института проблем химической физики РАН, руководитель направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус», профессор, советник руководителя Образовательного фонда «Талант и успех», кандидат физико-математических наук

Терехова
Анастасия Юрьевна

Заведующая лабораторией кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», методист программы «Большие вызовы» (2017–2021)

Подать заявку
© 2015–2021 Фонд «Талант и успех»
Нашли ошибку на сайте? Нажмите Ctrl(Cmd) + Enter. Спасибо!