От наночастиц к наноустройствам

Академик Фомин В.М.: математические модели и не только...

Особенность и сила Сибирского отделения в том, что институты ведут совместные исследования. И в данном выступлении приведены результаты работ, выполненных сотрудниками семи институтов: Теоретической и прикладной механики, Физики полупроводников, Ядерной физики, Химии твердого тела и механохимии, Химической кинетики и горения, Цитологии и генетики, Химической биологии и фундаментальной медицины. Эти исследования связаны совместными проектами, которые являются большой организационной находкой.

Разработанная в ИФП СО РАН технология создания нанотрубок позволила совместно создать датчик термоанемометра, который имеет в сто раз лучшие частотные характеристики по сравнению с существующими. Полученные результаты позволили построить массивы микродатчиков на достаточно большой поверхности, что позволяет переходить к созданию «думающей» поверхности летательного аппарата, которая будет подстраиваться под аэродинамический поток, затягивая ламинарно-турбулентный переход и уменьшая сопротивление.

Совместными усилиями решается задача получения наноматериалов. ИТПМ и ИЯФ разработали и ввели в строй опытно-промышленную установку для получения нанодисперсных порошков. В этом году ее производительность доведена до 6–7 кг в час. Образцы направлены потребителям России, поступают отзывы. Установка демонстрировалась недавно на Всероссийской промышленной ярмарке в Москве.

Чтобы повысить прочность и износостойкость конкретных элементов конструкций, работающих в агрессивных физико-химических условиях, необходимо уметь изменять прочностные свойства поверхностей по заданным законам.

Сотрудниками ИТПМ совместно с ИХТТМ предложен новый метод получения полых сферических частиц порошков металлов и сплавов, в том числе модифицированных тугоплавкими керамическими наночастицами. В основе метода лежит высокоэнергетическая мехактивация исходного металла или сплава в центробежно-планетарной мельнице с последующей плазменной сфероидизацией полученного порошка в контролируемой аргоновой атмосфере.

При плавлении частиц в плазме аргона внутри капель образуется газовая полость. Такой мехактивированный порошок дает возможность управлять процессом напыления, что обеспечивает высокие функциональные характеристики покрытий.

Во всем мире активно распространяется лазерная сварка металлических деталей. Естественно стремление добиться, чтобы шов по прочности был равен прочности самого материала. На лазерных установках ИТПМ успешно ведутся работы по резке и сварке материалов. Введение наночастиц при сварке существенно улучшило характеристики шва. В настоящее время из всех стран мира только США и Россия достигли значительных успехов в разработке конструктивно-технологических решений по применению лазерной сварки титана и алюминия.

По всеобщему признанию, в этом направлении многие параметры российских наработок лучше. Задача будущего — перейти от клепки к сварке при строительстве самолетов. На нынешних лайнерах — от 30 до 50 млн заклепок. Если их заменить на сварные соединения, самолет станет намного легче. Пока проблема сварки алюминия не решена. Но уже ведутся эксперименты совместно с Институтом сварки им. Е.О. Патона Национальной академии наук Украины.

Исследования применения наночастиц приводят зачастую к неожиданным результатам. Научный коллектив под руководством академика В. В. Болдырева ведет работу по изучению осаждения аэрозольных частиц в дыхательных путях. Эти исследования инициированы по двум причинам. Во-первых, в связи со значительным ростом производства наноматериалов в мире существует опасность распространения различных наночастиц в воздухе и, соответственно, их поступления в легкие. Кроме того, важно определить целесообразность введения некоторых лекарств через нос в легкие. Перед сотрудниками ИТПМ была поставлена задача создать математическую модель движения газа через нос в легкие.

Пока удалось решить только первую часть работы, т.е. построить математическую модель, описывающую движение газа в носовой полости человека. По результатам расчетов удается определить количество газа, протекающего по сложным каналам носа. Уже эта часть работы нашла свой практический выход у медиков. Врач может виртуально провести намеченную операцию на носовых ходах и увидеть, будет ли улучшение, и только после этого проводить настоящую операцию.

Для второй части работы в ИХКиГ создана экспериментальная установка для ингаляции наночастиц. Там разогретое лекарство подается в бокс к подопытным мышам. Затем анализы демонстрируют его воздействие, концентрацию содержания в легких и крови. Опыты показывают потрясающий результат — подача лекарства в легкие позволяет уменьшить дозу в миллион раз (!) по сравнению с пероральным (т.е. в таблетках) применением. Это говорит о том, что наночастицы могут быть и полезны, и опасны. Их надо изучать!