Четверг
Нужен прочный сплав? Смоделируем!
Представьте, что металлический имплант, вставленный на месте перелома кости, через некоторое время рассасывается в теле, кость срастается, а пациент избавляется от повторной операции по его извлечению, уменьшается время реабилитации.
Особенно это актуально для детской травматологии: кости у детей растут, и жесткая, не меняющая форму конструкция становится препятствием для роста. Создать новые упрочненные сплавы на основе магния, из которых будут делать подобные биорезорбируемые импланты - одна из целей проекта «Механизмы упрочнения и роль дисперсных частиц в неравновесных титановых и магниевых сплавах» ученых Уфимского университета науки и технологий, который был поддержан Российским научным фондом (РНФ). На реализацию этого проекта Фонд направит по 7 миллионов рублей в год в течение четырех лет. Работать над ним будут сотрудники лаборатории многофункциональных материалов, созданной в июне 2022 года в рамках программы «Приоритет 2030».
- Одно из модных направлений в трансплантологии - микроимпланты, способные выдерживать очень высокие нагрузки. Что же позволит достичь подобной прочности?
- Как известно, из титана также делают импланты. Но еще более важно то, что это традиционное конструкторское решение для компрессоров авиационных двигателей (компрессор - одна из ключевых его деталей). Титановые сплавы легче железных и никелевых, что имеет критическое значение для авиации. И сегодня остро стоит задача повышения их прочности и срока службы. Например, в университете есть команда, которая занимается нанесением защитных покрытий, улучшающих износостойкие свойства лопаток компрессоров авиационных двигателей и газоперекачивающих установок. Срок их службы увеличивается на 30%.
Итак, мы берем сплав, воздействуем на него термическими и деформационными методами и таким образом формируем нужную нам микроструктуру, а значит, нужный комплекс свойств, потом проверяем это на опытных образцах. В данном проекте объектами исследований стали титановый сплав ВТ8М-1, β-титановый сплав Ti-15Mo и новые биорезорбируемые сплавы системы Mg-Zn-Ca, для которых характерно выделение дисперсных частиц при температуре и деформации, что дает нам широкие возможности в моделировании их структуры.
В результате выполнения гранта будут разработаны и предложены принципы получения новых материалов с регламентированной структурой и повышенными свойствами. Их использование позволит улучшить и/или разработать новые конструкции с высокими эксплуатационными характеристиками для авиационной промышленности и имплантологии. В частности, в одной из последних опубликованных работ в международном журнале Materials мы продемонстрировали принципы управляемой биодеградации и повышения коррозионной стойкости магниевых сплавов системы Mg-Zn-Ca за счет формирования многоуровневой структуры с дисперсными частицами. Эти результаты показали, что, изменяя объемную долю и размер этих частиц в магниевом сплаве, возможно уменьшать скорость коррозии, не ухудшая при этом прочностные характеристики материала.
- Скажите, а в чем для вас научный интерес этой работы? Хотя уже понятно, что моделировать свойства материала по своему вкусу - это очень интересно…
Получается, что мы вынуждены постоянно учиться и открывать для себя новые знания, новые сферы. Это непростой путь, но теперь - после нескольких лет работы - мы накопили немалый опыт и регулярно участвуем в рецензии статей, которые подаются в международные журналы.
Если вернуться к нашему проекту, то по его результатам запланировано опубликование не менее 12 научных статей: восемь - в высокорейтинговых зарубежных журналах и не менее четырех - в изданиях, индексируемых в Russian Science Citation Index, также запланированы защиты кандидатской и докторской диссертаций.
Для успешного решения задач мы будем приобретать из фонда проекта новые аналитические приборы (в дальнейшем их можно будет использовать и для образовательных целей). Также планируем создать здесь, на территории физико-технического института, новую технологическую площадку со станочным и экспериментальным оборудованием. Мы будем испытывать на ней свои образцы новых материалов, и все остальные подразделения института тоже смогут приходить и решать свои задачи.
- В проекте запланировано и сотрудничество со Сколковским институтом науки и технологий…
- Изучать микроструктуры сплавов и проводить эксперименты по их моделированию мы будем совместно с центром коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения» Сколковского института. Он оснащен ультрасовременными приборами, и это позволит нам в перспективе получить результаты мирового уровня. К тому же тесное взаимодействие с коллегами создаст дополнительные точки роста для развития новых междисциплинарных направлений и разработок между Уфимским университетом науки и Сколково.
Вместе с научными исследованиями природы и закономерностей металлов и сплавов наша команда также занимается популяризацией науки для школьников. Мы приглашаем их сюда, показываем возможности современного аналитического оборудования. Например, популярность у ребят завоевали снимки муравья, полученные на сканирующем микроскопе. На них детально, с максимальной точностью видны все особенности его тела - в таком разрешении усики становятся просто огромными, виден каждый волосок на большой заостренной голове…Именно такие снимки - наглядно отражающие природу и устройство, казалось бы, знакомых явлений с новой стороны - вызывают максимальный интерес. Я планирую создать еще несколько наглядных презентаций, чтобы объяснить школьникам и студентам, чем мы занимаемся, как это выглядит и как устроены металлы и различные сплавы.
Екатерина КЛИМОВИЧ.
Фото Риты ИШНИЯЗОВОЙ.
Особенно это актуально для детской травматологии: кости у детей растут, и жесткая, не меняющая форму конструкция становится препятствием для роста. Создать новые упрочненные сплавы на основе магния, из которых будут делать подобные биорезорбируемые импланты - одна из целей проекта «Механизмы упрочнения и роль дисперсных частиц в неравновесных титановых и магниевых сплавах» ученых Уфимского университета науки и технологий, который был поддержан Российским научным фондом (РНФ). На реализацию этого проекта Фонд направит по 7 миллионов рублей в год в течение четырех лет. Работать над ним будут сотрудники лаборатории многофункциональных материалов, созданной в июне 2022 года в рамках программы «Приоритет 2030».
- Идеи этого проекта рождены нашей командой. Она развивалась в течение 10 последних лет, но основной ее костяк составляют относительно молодые специалисты (их средний возраст - 32 года), - рассказывает руководитель лаборатории, кандидат технических наук Григорий Дьяконов. - К работе будут также привлечены студенты университета, что даст возможность удержать, закрепить в науке молодые перспективные кадры.
- Одно из модных направлений в трансплантологии - микроимпланты, способные выдерживать очень высокие нагрузки. Что же позволит достичь подобной прочности?
- Начнем сначала. Перед вами один из главных инструментов нашей работы - сканирующий электронный микроскоп Tescan с разрешением в 1 нанометр (то есть он дает увеличение примерно в миллион раз). Мы видим поверхность - например, это титановый сплав, с использованием микроскопа мы можем различить зерна разного размера. Так выглядит поверхность любого металла. Это зерна кристаллической решетки, а на границах этих зерен могут выделяться специфические дисперсные частицы. Всей этой структурой - формой и размером зерен, количеством и расположением частиц - можно управлять, то есть осуществлять микроструктурный дизайн материала - в нашем случае титановых и магниевых сплавов. Используя этот подход, мы можем сделать их пластичнее и прочнее, или более коррозионностойкими.
- Почему вы решили заняться именно титановыми сплавами?
- Как известно, из титана также делают импланты. Но еще более важно то, что это традиционное конструкторское решение для компрессоров авиационных двигателей (компрессор - одна из ключевых его деталей). Титановые сплавы легче железных и никелевых, что имеет критическое значение для авиации. И сегодня остро стоит задача повышения их прочности и срока службы. Например, в университете есть команда, которая занимается нанесением защитных покрытий, улучшающих износостойкие свойства лопаток компрессоров авиационных двигателей и газоперекачивающих установок. Срок их службы увеличивается на 30%.
Итак, мы берем сплав, воздействуем на него термическими и деформационными методами и таким образом формируем нужную нам микроструктуру, а значит, нужный комплекс свойств, потом проверяем это на опытных образцах. В данном проекте объектами исследований стали титановый сплав ВТ8М-1, β-титановый сплав Ti-15Mo и новые биорезорбируемые сплавы системы Mg-Zn-Ca, для которых характерно выделение дисперсных частиц при температуре и деформации, что дает нам широкие возможности в моделировании их структуры.
В результате выполнения гранта будут разработаны и предложены принципы получения новых материалов с регламентированной структурой и повышенными свойствами. Их использование позволит улучшить и/или разработать новые конструкции с высокими эксплуатационными характеристиками для авиационной промышленности и имплантологии. В частности, в одной из последних опубликованных работ в международном журнале Materials мы продемонстрировали принципы управляемой биодеградации и повышения коррозионной стойкости магниевых сплавов системы Mg-Zn-Ca за счет формирования многоуровневой структуры с дисперсными частицами. Эти результаты показали, что, изменяя объемную долю и размер этих частиц в магниевом сплаве, возможно уменьшать скорость коррозии, не ухудшая при этом прочностные характеристики материала.
- Скажите, а в чем для вас научный интерес этой работы? Хотя уже понятно, что моделировать свойства материала по своему вкусу - это очень интересно…
- Да, конечно. А еще очень часто - практически каждый день - перед нами встают нестандартные задачи. С одной стороны, это непросто, с другой - позволяет развиваться и развивать в себе гибкость. Так, например наш электронный микроскоп - очень мощное средство исследования, я называю его «материаловедческий скальпель». Он позволяет решать очень разные задачи, становится точкой притяжения для ученых из разных областей: материаловедов, биологов, химиков. Также к нам обращаются наши индустриальные партнеры (среди них - ПАО «ОДК-УМПО», ПАО «Газпром» и др.) и, к примеру, просят разобраться, почему раньше срока вышла из строя какая-либо деталь - например, лопатка компрессора авиационного двигателя или деталь газоперекачивающей установки. Приставка, которая есть на микроскопе, позволяет с высокой точностью проанализировать и даже прорисовать самые тонкие элементы ее структуры, а также ее химический состав и его распределение в объеме материала. И мы можем сказать, стало ли причиной поломки проникновение в устройство инородного тела, перегрев, неоднородность по химсоставу или плохой исходный материал.
Получается, что мы вынуждены постоянно учиться и открывать для себя новые знания, новые сферы. Это непростой путь, но теперь - после нескольких лет работы - мы накопили немалый опыт и регулярно участвуем в рецензии статей, которые подаются в международные журналы.
Если вернуться к нашему проекту, то по его результатам запланировано опубликование не менее 12 научных статей: восемь - в высокорейтинговых зарубежных журналах и не менее четырех - в изданиях, индексируемых в Russian Science Citation Index, также запланированы защиты кандидатской и докторской диссертаций.
Для успешного решения задач мы будем приобретать из фонда проекта новые аналитические приборы (в дальнейшем их можно будет использовать и для образовательных целей). Также планируем создать здесь, на территории физико-технического института, новую технологическую площадку со станочным и экспериментальным оборудованием. Мы будем испытывать на ней свои образцы новых материалов, и все остальные подразделения института тоже смогут приходить и решать свои задачи.
- В проекте запланировано и сотрудничество со Сколковским институтом науки и технологий…
- Изучать микроструктуры сплавов и проводить эксперименты по их моделированию мы будем совместно с центром коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения» Сколковского института. Он оснащен ультрасовременными приборами, и это позволит нам в перспективе получить результаты мирового уровня. К тому же тесное взаимодействие с коллегами создаст дополнительные точки роста для развития новых междисциплинарных направлений и разработок между Уфимским университетом науки и Сколково.
Вместе с научными исследованиями природы и закономерностей металлов и сплавов наша команда также занимается популяризацией науки для школьников. Мы приглашаем их сюда, показываем возможности современного аналитического оборудования. Например, популярность у ребят завоевали снимки муравья, полученные на сканирующем микроскопе. На них детально, с максимальной точностью видны все особенности его тела - в таком разрешении усики становятся просто огромными, виден каждый волосок на большой заостренной голове…Именно такие снимки - наглядно отражающие природу и устройство, казалось бы, знакомых явлений с новой стороны - вызывают максимальный интерес. Я планирую создать еще несколько наглядных презентаций, чтобы объяснить школьникам и студентам, чем мы занимаемся, как это выглядит и как устроены металлы и различные сплавы.
Екатерина КЛИМОВИЧ.
Фото Риты ИШНИЯЗОВОЙ.