Фотон – элементарная квантовая частица электромагнитного излучения или, иначе говоря, света. Насколько важные и разноплановые функции выполняет излучение того или иного спектра, настолько же интересные применения можно найти для одиночных фотонов этого излучения. Например, имея возможность отследить отдельные кванты инфракрасного света, можно существенно повысить безопасность линий связи, точность измерительных приборов.

Команда ученых Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» разрабатывает первый в мире прототип видеодетектора инфракрасных фотонов – камеры настолько мощной, что она сможет «видеть» движение одиночных частиц такого излучения. В камере будет установлена матрица на 1000 пикселей, а применение такая система найдет в целом ряде областей, где требуются высокоточные измерения: защищенные коммуникации, в том числе и спутниковые, квантовые вычисления, диагностическая медицина. Разработка ведется в рамках госконтракта на выполнение ОКР по заказу Минпромторга РФ.

Магнитно-резонансная томография — один из самых эффективных способов выявления онкозаболеваний на ранних стадиях. Для повышения ее точности в организм пациента может вводиться специальный контрастный агент с магнитными свойствами — при особом подборе параметров агент будет «подсвечивать» злокачественные клетки. Однако, кроме диагностики, магнитные материалы перспективны для использования при терапии онкозаболеваний. Под точечным воздействием высоких температур магнитные наночастицы могут нагреваться и разрушать оболочку раковых клеток.

Коллектив ученых НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из России и Германии представил подробное исследование наночастиц-гибридов из магнетита и золота. В перспективе такие наночастицы могут помочь в тераностике — диагностике и последующей терапии онкозаболеваний.

Роль лития, а точнее, литий-ионных аккумуляторов в нашей жизни трудно переоценить. Они используются повсюду: в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а также в наземном, водном и железнодорожном транспорте и космической технике. Литий-ионные батареи вышли на рынок в 1991 году, а уже в 2019 их изобретателям присудили Нобелевскую премию по химии – за революционный вклад в развитие технологий. При этом литий – дорогостоящий щелочной металл, а его запасы весьма ограничены. В настоящее время не существует близкой по эффективности альтернативы литий-ионным батареям. Из-за того, что литий один из самых легких элементов в периодической таблице Менделеева очень непросто найти ему замену для создания емких аккумуляторов.

Международный коллектив ученых НИТУ «МИСиС», ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф установил, что вместо лития в аккумуляторах можно использовать натрий, «уложенный» особым способом. Натриевые батареи будут существенно дешевле, при этом не уступая по емкости литий-ионным, а в перспективе и превосходя их.

Нейрохирургические операции – колоссально сложный процесс, требующий от врача предельного понимания структуры головного мозга, природы и формы патологии, допустимых границ вмешательства. Даже нейрохирурги с многолетним опытом могут испытывать трудности, столкнувшись с редким клиническим случаем, будь то труднодоступная локация опухоли, обширный инсульт или особенно крупная гематома.

Команда студентов НИТУ «МИСиС» разработала «фантом» человеческого мозга – модель из гидрогеля со структурным и механическим подобием реальному органу. «Фантомозг» позволит студентам изучать патологическую анатомию тканей, а практикующим нейрохирургам – проводить тренировочное оперативное вмешательство.

В силовой полупроводниковой электронике, как и во многих других областях полупроводниковой электроники, возможности кремния, основного полупроводникового материала, оказались практически исчерпанными. Поэтому ученые ведут интенсивный поиск материалов с новыми свойствами, которые позволили бы обеспечить качественный рывок в достижимых величинах напряжений и токов и рабочих температурах при сохранении высокой эффективности работы.

Ключом здесь является переход к так называемым широкозонным материалам, в которых требуется сообщить электронам атомов очень большую энергию, чтобы они начали участвовать в переносе электрического тока. Чем больше ширина запрещённой зоны, тем более высокое напряжение можно приложить к контактам прибора, не вызывая электрического пробоя, и тем ближе можно расположить контакты, уменьшая сопротивление, а значит, электрические потери мощности, и тем при более высокой температуре устройство будет сохранять свою работоспособность.

Ученые НИТУ «МИСиС», ФТИ им. А.Ф. Иоффе и компании «Совершенные кристаллы» продемонстрировали возможность изготовления нового материала и эффективного управления его свойствами с помощью дешёвой и экономичной технологии его выращивания. Материал является перспективной альтернативой кремнию в приборах силовой полупроводниковой электроники, области, имеющей дело с разработкой приборов и устройств, осуществляющих коммутацию, преобразование, усиление электрических сигналов с большими токами и напряжениями, т.е. с большой мощностью. Материал позволяет работать с более высокими напряжениями, при более высоких температурах, с меньшими потерями мощности.

Активное развитие аэрокосмической отрасли предъявляет все более серьезные требования к летательным аппаратам: они должны быть быстрыми, износостойкими, должны снижаться затраты на производство и обслуживание. Многие ведущее космические агентства (НАСА, ЕКА (Европа), а также агентства Японии, Китая и Индии) ведут активную разработку таких летательных аппаратов многоразового пользования — воздушно-космических самолетов (ВКС), применение которых позволит существенно снизить стоимость доставки людей и грузов на орбиту, а также сократить временные интервалы между полетами. С учетом такого количества требований к производительности аппаратов, требуется серьезно совершенствовать качество используемых в них материалов.

Группа ученых НИТУ «МИСиС» разработала керамический материал с самой высокой температурой плавления среди всех известных на данный момент соединений. Благодаря уникальному сочетанию физических, механических и термических свойств, материал перспективен для использования в наиболее теплонагруженных узлах летательных аппаратов — носовых обтекателях, воздушно-реактивных двигателях и острых передних кромках крыльев, работающих при температурах выше 2000 °С.

Довольно большое число наших публикаций посвящено биомедицинским технологиям. В последнее время – особенно. Нет, мы не сужаем наш профиль, просто уж очень много хороших новостей по теме. Кстати, вот еще одна – про полимерные имплантаты, поваренную соль, минералы, белки и мышей.

Две основные проблемы в имплантационной хирургии — медленная приживаемость имплантата и риск развития бактериальной инфекции в месте его установки. Ускорить приживаемость возможно изготовив имплантат из биоактивного материала, который стимулирует деление остеобластов — костных клеток пациента. С инфекцией же борются при помощи антибиотиков, но бактерии быстро вырабатывают к ним устойчивость. Эта проблема требует создания новых эффективных способов борьбы с инфекциями, например, применение ионов металлов, известных своей бактерицидной активностью или способностью к генерации активных форм кислорода (они губительны для оболочек бактерий).

Большинство современных имплантатов изготавливаются из титана — он прочен, биоинертен и не подвержен коррозии. Однако, титан не обладает биоактивными и антибактериальными свойствами, и именно поэтому ученые активно работают над созданием покрытий, устраняющих эти недостатки. Хорошие результаты демонстрирует пленка оксида титана (TiO2) — из-за пористой структуры она наиболее пригодна для деления костных клеток, а включение в ее состав кальция Ca и фосфора P обеспечивает биоактивность. Тем не менее, по-прежнему важной задачей является наделение имплантата антибактериальными свойствами.

При детектировании объекта при помощи радара на него посылается волновой сигнал, и на основании отраженной волны определяется местоположение объекта. Современные методы стелс-маскировки направлены на то, чтобы отраженная от объекта волна поглощалась маскирующим покрытием, минимизируя отклик для радара. Однако одно лишь покрытие само по себе неспособно свести этот отклик к полному нулю из-за совокупности факторов: геометрии поверхности, высокой скорости движения, прогрессивных высокочувствительных методов локации, неэффективности поглощения стелс- покрытия. Международный коллектив ученых из НИТУ «МИСиС» и Политехнического университета Турина (Италия) в рамках сотрудничества по проекту ANASTASIA предложили принципиально новый вариант стелс-маскировки, которая позволит направленному на объект сигналу радара не отражаться, не поглощаться, а просто проходить насквозь, как будто никакого объекта нет. Такой метод маскировки основан не на создании маскирующего покрытия, а на изменении конфигурации всей системы объекта.

Для приживаемости имплантата важна не только биосовместимость материала, большую роль играют и его структурные особенности: чем лучше имплантат «мимикрирует» под кость, тем быстрее начнется процесс срастания. Процесс можно сделать более эффективным при помощи введения специфических добавок, привлекающих в область имплантации собственные клетки пациента, способствующие формированию новой кости. Коллектив ученых из НИТУ «МИСиС», НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи, НМИЦ им. Н.Н. Блохина и Технического университета Дортмунда добились повышения эффективности приживаемости костных имплантатов в 5-7 раз. Как это стало возможным?

Установка такого инородного тела, как имплантат – большой стресс для организма, и именно поэтому ученые уделяют огромное внимание обеспечению быстрой приживаемости и максимально долгого срока службы изделия. Успех зависит как от свойств самого исходного материала, так и от структурных особенностей имплантата, методов производства и т.д. Можно использовать металл, керамику, различные полимеры, а также их комбинации. В идеале, чем меньше организм «ощущает» инородность имплантата, тем быстрее тот приживается, тем свободнее себя чувствуют клетки пациента, тем ниже риск отторжения. Руководствуясь этими принципами, ученые НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из НМИЦ им. Н.Н. Блохина и Технического университета Дортмунда разработали уникальную технологию изготовления полимерных имплантатов, где «негативом» под отливку изделия служит настоящая кость.

Экраны многих современных смартфонов «страдают» выгоранием пикселей. Из-за наличия органического компонента в матрицах типа OLED (и их производных) при долговременном «подсвечивании» одних и тех же иконок на экране, пиксели начинают деградировать. Пока производители советуют пользователям периодически менять интерфейс экрана, переставлять иконки местами и регулярно обновлять заставку. На самом деле, проблему можно решить: для этого необходимо минимизировать использование органических компонентов в матрице экранов. Коллектив ученых НИТУ «МИСиС», занимающийся разработкой перовскитных тонкопленочных устройств, предложил новую модификацию светодиода, впервые применив двумерный неорганический материал в качестве электрон-транспортного слоя перовскитного светодиода.

Статья о разработке опубликована в журнале Applied Materials & Interfaces.

Ученые НИТУ «МИСиС» разработали сверхбыстрый способ получения термоэлектрического материала, способного напрямую преобразовывать тепло в электричество. Соединение на основе сложного оксида металлов было получено в 7 раз быстрее, чем во всех ранее представленных мировых экспериментах. Используемый в работе метод открывает перспективы промышленного получения порошков термоэлектрических материалов и создания на их основе устройств, которые, например, могут одновременно заряжать гаджеты и обогревать помещения.

Повышенное содержание железа в питьевой воде может нанести значительный вред здоровью — оно нередко становится причиной развития дерматитов и других аллергических реакций, заболеваний печени и почек. Превышение предельно допустимой концентрации железа в воде способствует увеличению риска инфарктов и повреждения тканей при инсультах. Есть и более прозаичные, но не менее серьезные осложнения. Повышенное содержание железа в воде — одна из основных причин так называемого биообрастания водопроводных труб. Источником слизи, образующейся на соединительных и стыковых элементах трубопровода, являются железобактерии. С течением времени такой процесс приводит к коррозии и повреждению водопроводной системы.

Ученые из НИТУ «МИСиС», Университета Лимерика (Ирландия), ИОНХ НАН Беларуси и Белорусского национального технического университета представили инновационный, экологичный и малозатратный способ получения высокоэффективных фильтрующих материалов для снижения уровня железа в питьевой воде. В основе разработки — особая модификация угля, которая позволяет более чем в 3 раза эффективнее связывать железо в составе грунтовых вод, поступающих в систему водоснабжения.

Использование 3D-печати в аэрокосмической отрасли — уже сложившийся тренд. Мировые промышленные гиганты, такие как Airbus, Boeing, General Electric, перешли от печати единичных прототипов и изделий к полноценному серийному аддитивному производству. Например, новый самолет Airbus A350 XWB содержит более 1000 различных деталей, изготовленных методом 3D-печати.

Однако при этом 3D-печать – метод не из дешевых, главным образом из-за стоимости исходного сырья. В случае использования для печати деталей готового интерметаллида, приходится сначала его отлить, а это особая технология и серьезные энергозатраты. Затем горячий расплав необходимо «распылить» струей газа, воды или плазмой для получения порошка, что значительно усложняет и увеличивает стоимость производства. Ученые НИТУ «МИСиС» нашли способ снизить стоимость производства порошков для 3D-печати – вместо метода распыления они использовали планетарную мельницу.

Как уменьшить негативные последствия химиотерапии, при этом повысив ее эффективность? Ответ довольно прост по своей сути, но весьма сложен в исполнении, а именно: необходимо добиться точечной доставки препарата в клетки опухоли. Один из наиболее перспективных способов – упаковка лекарства таким образом, чтобы оно проявляло свои терапевтические свойства только по достижении раковых клеток, не «раскрываясь» в кровотоке и не к «притягиваясь» здоровым клеткам.

Разработкой подобных методов занимается научный коллектив лаборатории неорганических наноматерилов НИТУ «МИСиС». Не так давно ученые разработали способ существенно повысить восприимчивость раковых клеток к противоопухолевому препаратам, содержащим действующее вещество доксорубицин. Для этого наночастицы бора, переносящие препарат, обогатили фолиевой кислотой, которую раковые клетки поглощают примерно в 1000 раз активнее, чем обычные.

Группа молодых ученых НИТУ «МИСиС» разработала прототип принципиально новой «ловушки» элементарных частиц для детектора LHCb в CERN, занимающегося поиском «темной материи». Новое устройство, выполняющее роль абсорбера элементарных частиц, гораздо более устойчиво к высокой радиации, излучаемой работающим детектором. Это позволит увеличить поток элементарных частиц, и в перспективе — получить новые явления при экспериментах с мезонами. Что за «темная материя», и в чем особенность нового абсорбера – в нашей статье.

Методы адресной доставки лекарств находятся на пике популярности – точечное воздействие на очаги поражения позволяет бороться с болезнью, практически не затрагивая здоровые ткани. Остаются, тем не менее, вопросы: как повысить эффективность такой терапии, ускорить действие препарата, свести к минимуму его накопление в организме? Ученые лаборатории «Биологические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» не первый год работают в этом направлении, и среди последних открытий коллектива – 30%-е повышение эффективности доставки лекарства в злокачественную опухоль при помощи нейтрофилов – клеток иммунной системы. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале ACS Nano.

Продолжаем тему аддитивного производства, и сегодня расскажем про внутренний корпус двигателя российского вертолета ВК-2500, полностью созданный методом SLM. Разработан корпус совместно НИТУ «МИСиС» и Санкт-Петербургским государственным морским техническим университетом (СПбГМТУ). Применение аддитивных технологий для изготовления детали позволило сократить срок изготовления до 14 дней (против минимум месяца в случае изготовления классическими методами).



Корпус двигателя

Аддитивное производство металлических деталей становится все более востребовано, и неудивительно: по сравнению с традиционными промышленными технологиями, такими как литье, порошковая металлургия и механическая обработка, «аддитивка» позволяет создавать детали сложной формы, снижать вес детали за счет оптимизации конструкции, увеличивать прочность, а также быстро «выращивать» мелкосерийные детали сложной формы.

Одно из самых востребованных направлений аддитивных технологий – 3D-печать композитов для аэрокосмоса. В основном для производства деталей летательных аппаратов используется титан. Он прочный, коррозионностойкий, устойчивый к нагрузкам… НО: титан очень плотный, следовательно, тяжелый, поэтому как бы хорош он ни был, требуется искать альтернативу. Ученые НИТУ «МИСиС» нашли ее – и это алюминий. Но как же, он ведь гораздо менее прочный? О том, почему это больше не проблема, и при чем тут 3D-технологии – в нашей статье.



Образцы изделий, полученных одним из методов аддитивного производства – SLM (о нём также ниже)