help@sochisirius.ru
1-24 июля 2020

Новые материалы

Создание новых материалов определяло этапы развития человечества: каменный век, бронзовый век, железный век, век полимеров и наноматериалов. Развитие техники на современном этапе требует разработки новых или модификации уже известных материалов с необходимыми функциональными и эксплуатационными свойствами.

Одной из задач, предлагаемых в рамках заявленных проектов, является разработка методов получения новых материалов для различных отраслей промышленности, а также для решения экологических проблем.

Все направления программы «Большие вызовы»

Проекты направления

1. Умные метаматериалы-невидимки
2. Фантом мозга человека для подготовки нейрохирургических операций
3. Биоматериалы и тканеинженерные конструкции для реконструктивной хирургии
4. Наноструктуризация и исследование полученных свойств поверхности титановых сплавов медицинского применения
5. Оптоэлектроника на основе металло-органических перовскитов
6. Разложение воды под действием солнечного света при помощи электродов на основе пористого кремния

Описание проектов
список и описание проектов предварительные и могут быть изменены и уточнены

1. Умные метаматериалы-невидимки

Руководитель проекта: Башарин А.А.

Аннотация: Материалы-невидимки – это уже давно не элемент научной фантастики и сказок, если говорить о скрывающих покрытиях на радиоволнах – стелс-технологиях. Они даже старше Гарри Поттера! Радиоволны – это электромагнитные волны с длиной волны много больше длины волны видимого света, но именно с их помощью «наблюдают» за самолётами, вертолётами, кораблями. Однако некоторые их части скрыть сложнее, например, радары или другую технику, которая выступает в качестве «глаз» машин. Ведь радар а) должен быть незаметен и б) 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 должны были видеть все вокруг! Или может Уэллс что-то не договорил, и невидимка использовал умные метаматериалы?! Это позволит выяснить данный проект. 

В метаматериалах достигаются свойства, которые невозможно получить в обычных, природных материалах, в том числе и невидимость возможность скрывать покрытые метаматериалом объекты. Именно такие покрытия будут созданы и исследованы в рамках проекта. 

В результате проекта будут изготовлены образцы «умного» перестраиваемого метаматериала – невидимки и будет продемонстрировано с помощью микроволнового оборудования, что он действительно скрывает объекты в радиодиапазоне и обладает возможностью переключения режимов видимость/невидимость. 

Участники и участницы проекта: 
1. освоят теоретическую базу по электродинамике метаматериалов; 
2. выполнят численное моделирование электродинамических характеристик метаматериалов; 
3. разработают принципиальные схемы подключения электрических схем метаматериалов; 
4. построят мини-безэховую камеру для исследования характеристик метаматериалов; 
5. создадут образцы метаматериалов; 
6. измерят их характеристики; 
7. выполнят исследования «умных» перестраиваемых экранов и проведут испытания для скрытия радаров и пассивных объектов.

Партнеры проекта: Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук. (НТЦ УП РАН), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

 


2. Фантом мозга человека для подготовки нейрохирургических операций

Руководитель проекта: Салимон А.И.

Аннотация: Нейрохирургические операции на головном мозге относятся к числу наиболее сложных, высокотехнологичных и ответственных. Рост числа инсультов, опухолевых и нейродегенеративных заболеваний (болезни Альцгеймера, Паркинсона, склеротические заболевания) головного мозга требует применения «классических» контактных (механические зонды, ножи, иглы и т.п.) и современных бесконтактных методов лечения, в том числе лучевых: лазерного и киберножей с использованием потока позитронов, нейтронов и др. Риск ошибок и неудачных операций по-прежнему остается высоким, причём их последствия для пациентов оказываются особенно драматичными, так как мозг является исключительно сложным объектом как в анатомическом (близкое соседство сосудов, важнейших нервных центров, желез гипоталамуса, гипофиза и др.), так и в механическом отношении.

Одним из способов сокращения ошибок и неудачных операций является создание фантомов – полноразмерных, анатомически и механически адекватных копий мозга человека для проведения тренировок перед плановыми операциями. Наиболее совершенные фантомы должны воспроизводить все анатомические особенности оперативной области мозга пациента: сгустки крови после инсульта, крупные кальцифицированные склеротические бляшки, диагносцированные опухоли и т.п., соседние мозговые оболочки, крупные кровеносные сосуды. Данные анатомические детали, их размеры и форма уточняются средствами КТ/МРТ для построения цифровой модели мозга конкретного пациента. Далее фантом должен за разумное время изготавливаться с помощью аддитивных технологий из материалов (3Д-печать), близких по механическим свойствам к таковым для естественных тканей человека.

Обучающимся предлагается решить ряд задач по созданию фантома головного мозга человека:
1. Разработать цифровую З-Д модель мозга и/или его крупного участка.
2. Разработать материалы для различных элементов фантома и испытать их механические свойства. 
3. Разработать технологию получения фантома здорового мозга или его крупного участка. 
4. Разработать технологию получения фантома мозга или его крупного участка с дефектом, моделирующим повреждение в результате инсульта.
5. Провести тренировочную нейрохирургическую операцию на фантоме мозга по удалению дефекта, моделирующего повреждение в результате инсульта.

Партнеры проекта: Центр энергетических технологий, Сколковский институт науки и технологий (Сколтех), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»


3. Биоматериалы и тканеинженерные конструкции для реконструктивной хирургии

Руководитель проекта: Сенатов Ф.С.

Аннотация: Ежегодно из-за травм и болезней тысячи людей нуждаются в восстановлении поврежденных костей. Часто для этого приходится прибегать к установке имплантатов. Для создания «идеального» костного имплантата необходимо добиться не только сращивания искусственного материала с костью, но и функционирования имплантата подобно натуральной кости. 

В рамках проекта участники должны будут: 
1. подобрать биосовместимый полимерный материал для создания костного имплантата; 
2. разработать архитектуру имплантата методами 3D-моделирования, 
3. создать замену кости методом 3D-печати
4. сформировать на его основе клеточно- и тканеинженерные конструкции с использованием клеток млекопитающих
5. оценить в тестах in vitro цитотоксичность при взаимодействии с клетками.

Такой подход позволяет реализовать индицидуализированный подход к каждому конкретному пациенту.

 

Партнеры проекта: ООО «Biomimetix», Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»


4. Наноструктуризация и исследование полученных свойств поверхности титановых сплавов медицинского применения

Руководитель проекта: Гостева Е.А.

Аннотация: На сегодняшний день в качестве исходного материала для изготовления имплантируемых медицинских изделий, таких, как компоненты эндопротезов крупных суставов человека, пластин для остеосинтеза, интрамедуллярных стержней используют титановый сплав Ti-6Al-4V (ВТ6). В качестве упрочняющей добавки в нем используют ванадий (V 4%), который позволяет улучшить механические свойства имплантатов. Однако наличие ванадия потенциально может оказывать токсическое действие на клетки и живые ткани в организме человека. Ввиду чего необходимо провести разработку и исследование защитных покрытий имплантатов, которое бы препятствовало диффузии (проникновению) ванадия из сплавов в организм человека.

Помимо этого, для лучшего приживление имплантатов, необходимо создать развитую поверхность и изучить влияние шероховатости поверхности имплантатов на скорость фиброинтеграции (приживления имплантатов).

В рамках проекта будут сформированы образцы с разной степенью шероховатости поверхности, полученной с помощью химического травления имплантатов и пассивации полученных образцов различными защитными покрытиями, а также исследование свойств полученных имплантатов в зависимости от методов их получения.

Партнер проекта: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»


5. Оптоэлектроника на основе металло-органических перовскитов

Руководитель проекта: Саранин Д.С.

Аннотация: В настоящее время для изготовления светодиодов, детекторов и солнечных батарей в основном используются твердотельные полупроводники, такие как кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP), изготавливаемые по технологии чипов. Однако развиваются и другие направления на основе новых, дешевых и эффективных материалов для печати солнечных батарей нового типа. В последние годы настоящим прорывом в разработке тонкопленочной фотовольтаики является технология гибридных перовскитов, преимуществом которой является возможность печати высокоэффективных солнечных батарей и светодиодов на гибких подложках, а также выращивание монокристаллов из растворов в течение нескольких часов. 

Высокий коэффициент поглощения в тонких плёнках перовскита и большая подвижность носителей заряда позволяют получать солнечные батареи с высоким значением КПД не только при освещении солнцем, но и при рассеянном свете в пасмурную погоду и внутри зданий. Более того, изменяя составов перовскитов возможно также изготавливать яркие светодиоды и детекторы излучения с высокой чувствительностью. 

В данном проекте исследований будут разработаны тонкопленочные устройства на основе металлоорганических перовскитов CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3 для следующих актуальных задач современной электроники и портативных устройств:
1. Датчики умного дома, работающие автономно от перовскитного солнечного модуля в условии низкой освещенности.
2. Мощный солнечный элемент с углеродным электродом из нанотрубок.
3. Яркие светодиоды:
1) красного излучения,
2) зеленого излучения,
3) инфракрасного излучения,
4. Детекторы света на основе монокристаллов перовскита.

Первые две недели проекта будут направлены на практическое обучение по разработке солнечных элементов, получению лабораторных навыков нанесения перовскитных слоев; ускоренной кристаллизации, ламинации электропроводящих углеродных нанотрубок, корпусирования устройств, а также измерению и анализу характеристик с помощью лабораторного оборудования. Параллельно будет проведен интенсивный курс по освоению сжатой теории работы полупроводниковых фотопреобразователей, светодиодов и детекторов третьего поколения на конкретных примерах современной оптоэлектроники.

Вторые две недели проекта каждый участник будет выполнять исследовательские задачи по индивидуальным экспериментальным проектам, включающим разработку дизайна и изготовления перовскитного устройства, а также измерений характеристик в различных условиях и повышения его показателей.

Партнер проекта: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

6. Разложение воды под действием солнечного света при помощи электродов на основе пористого кремния

Руководитель проекта: Кречетов И.С.

Аннотация: Реакция разложения воды на водород и кислород под действием солнечного света давно привлекает внимание исследователей, поскольку водород является удобным топливом, а вода – доступным и дешевым реагентом, а солнечная энергия – экологически чистым и бесплатным источником энергии. Первое устройство для возможности разложения воды под действием солнечного света описали Фудзисима и Хонда. Оно состояло из фотоанода из диоксида титана и платинового катода, помещенных в водный раствор электролита и разделенных пористой перегородкой. При освещении фотоанода на нем выделялся кислород, а на катоде – водород. Новые варианты воплощения таких фотолизных элементов удалось создать в связи с успехами наноэлектрохимии и появлением таких новых средств, как нанопористые подложки, нанотрубки, наномембраны и т.д. Дело в том, что при переходе к размерам частиц порядка нескольких нанометров, в материалах появляются новые свойства, которые позволяют решить такие основные проблемы водородной энергетики, как увеличение КПД системы и предотвращение коррозии фотоэлектродов.

В результате проекта планируется получить фотоэлектролизное устройство с электродами на основе пористого кремния, диоксида титана, графена. Подобрать оптимальные параметры электродов в зависимости от свойств используемого материала, разработать устройство для реализации процесса разложения воды, испытать разработанную ячейку и получить данные о ее эффективности. Сравнить эффективность устройств, использующих различные материалы для фотоанода. 

Партнер проекта: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Материалы для подготовки

1. Умные метаматериалы-невидимки

1. Силин Роберт Андреевич, Необычные законы преломления и отражения, ФАЗИС, 1999
2. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ // 92 517–526 (1967)
3. Лагарьков А.Н., Погосян М.А. Фундаментальные и прикладные проблемы стелс-технологий. - Вестник Российской академии наук, том 73, № 9, с. 848 (2003)

2. Наноструктуризация и исследование полученных свойств поверхности титановых сплавов медицинского применения

1. Сибирский медицинский журнал // Иркутский государственный медицинский университет. Том 90 №7 (2009)
2. Титан и тантал в медицине
3. Умные металлы | Большой скачок
4. Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications

3. Биоматериалы и тканеинженерные конструкции для реконструктивной хирургии

1. 3D-биопринтинг — Владимир Миронов
2. Костные имплантаты – Федор Сенатов
3. Biomimetic UHMWPE/HA scaffolds with rhBMP-2 and erythropoietin for reconstructive surgery / Materials Science and Engineering: C, 111 (2020) 110750

4. Фантом мозга человека для подготовки нейрохирургических операций

1. Гидрогель: универсальный материал будущего
2. Иванов Ю.В., Иванов О.Ю. Учебные исследования физических свойств гидрогеля // Проблемы учебного физического эксперимента: Сборник научных трудов. Вып. 27. – М.: ИСРО РАО, 2017. – С.75–76.
3. Филиппова О.Е. «Умные» полимерные гидрогели // Природа. – 2005. – № 8.

5. Разложение воды под действием солнечного света при помощи электродов на основе пористого кремния

1. Балашев К.П. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии // Соросовский образовательный журнал, №8, 1998
2. О фотокатализе для начинающих
3. Что такое фотокатализ
4. Савинов Е.Н. Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха // Новосибирский государственный университет

6. Оптоэлектроника на основе металло-органических перовскитов

1. Миличко В. А., Шалин А. С., Мухин И. С., Ковров А. Э., Красилин А. А., Виноградов А. В., Белов П. А., Симовский К. Р. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития // УФН 186 801–852 (2016)
2. Физика и технология приборов фотоники. Солнечная энергетика и нанотехнологии. Авторы: Андрей Полисан, Ю. Н. Пархоменко.

Эксперты и руководители проектов

Башарин
Алексей Андреевич

Старший научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Научно-технологического центра уникального приборостроения Российской академии наук, доцент кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС», кандидат технических наук

Салимон
Алексей Игоревич

Доцент кафедры физической химии НИТУ «МИСиС»

Сенатов
Фёдор Святославович

Генеральный директор ООО «Biomimetix», доцент кафедры физической химии НИТУ «МИСиС»

Гостева
Екатерина Александровна

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

Саранин
Данила Сергеевич

Инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики, ассистент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС»

Кречетов
Илья Сергеевич

Доцент кафедры физической химии Национального исследовательского технологического университета (Москва), кандидат физико-математических наук

Руководители направления

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 инженерного материаловедения факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ, директор Института химии поверхностей и интерфейсов (ICSI) в Мюлузе (Франция), советник руководителя Образовательного фонда «Талант и успех»

Терехова
Анастасия Юрьевна

Заведующая лабораторией кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», методист программы «Большие вызовы» (2018–2020)

Подать заявку
© 2015–2020 Фонд «Талант и успех»
Нашли ошибку на сайте? Нажмите Ctrl(Cmd) + Enter. Спасибо!