Новые материалы

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.

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»