Совместный проект

Материалы космического происхождения

Сергей Таскаев
Сергей Таскаев

Сверхпроводящая электроника

Валерий Рязанов
Валерий Рязанов

Что такое «Рождественские лекции»?

НИТУ «МИСиС»
НИТУ «МИСиС»

Твердое пламя

Александр Мукасьян
Александр Мукасьян

Поиск лекарства от рака

Александр Мажуга
Александр Мажуга

3D-печать и аддитивное производство

Игорь Смуров
Игорь Смуров

Дефекты кристаллической решетки

Александр Глезер
Александр Глезер

Вычислительные системы будущего

Алексей Орлов
Алексей Орлов

Радиотелескопы и детекторы

Александр Карпов
Александр Карпов

Магнитные наночастицы в биомедицине

Николай Усов
Николай Усов

Однослойные углеродные нанотрубки

Альберт Насибулин
Альберт Насибулин
Сергей Таскаев

Материалы космического происхождения

Сергей Таскаев
Доктор физико-математических наук, декан, профессор кафедры физики конденсированного состояния ЧелГУ Сергей Таскаев рассказал о составе метеоритов и элементах жизни, обнаруженных в космических телах. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции.

Шестьдесят пять миллионов лет назад на Земле произошла катастрофа: на северо-востоке полуострова Юкатан упал метеорит, вызвавший цунами высотой более 100 метров. Так между мезозойской и кайнозойской эрами полностью исчезли некоторые виды флоры и фауны. А падение метеорита в районе Квебека, произошедшее 13 тысяч лет назад, привело к началу ледникового периода. Известно множество случаев падений метеоритов, но они интересны исследователям не только своими разрушительными последствиями.

Изучение метеоритов важно для создания новых материалов. Условия синтеза, через которые проходит метеоритное вещество, на Земле практически недостижимы, и в первую очередь это давление. В результате ударных событий в космосе мы можем получить давление в сотни тысяч атмосфер и температуру в тысячи градусов. Это сопровождается облучением вещества потоками различных элементарных частиц. После плавления вещество может остывать очень медленно, и это оказывает прямое влияние на соединения, синтезирующиеся в процессе жизни метеорита.

Материалы, которые наблюдаются или находятся в метеоритах, по большей части аналогичны материалам земного происхождения. Однако иногда удается обнаружить новые углеродные структуры. Например, в метеорите, найденном в Австралии, были обнаружены две новые фазы алмазов. Это сверхтвердые алмазы, они тверже тех, что существуют на Земле, и синтезировались в результате какого-то импактного события в экстремальных условиях огромного давления, температур и процесса медленного охлаждения. Материалы, синтезированные в космосе, имеют большое значение для понимания нашей Вселенной, свойств материалов и перспектив их синтеза.

Валерий Рязанов

Сверхпроводящая электроника

Валерий Рязанов
Доктор физико-математических наук, профессор ИФТТ РАН Валерий Рязанов рассказал о недостатках полупроводниковой электроники, квантовании магнитного потока и принципах охлаждения компьютеров. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции.

Современная электроника основана на полевых транзисторах, размеры которых сегодня приближаются к 10 нанометрам. Дальнейшее уменьшение структур и интеграция элементов в электрические схемы без серьезного нарушения функциональности вызывает большие трудности. Другая проблема кремниевой электроники — значительное энергопотребление, связанное с тепловыделением при переключениях полевых транзисторов. Так, каждая большая интернет-система, например Google или «Яндекс», имеет огромные дата-центры. Проблема перегрева при этом так серьезна, что одна из компаний вынесла свой дата-центр в Швецию, за полярный круг, чтобы дополнительно не охлаждать все свои компьютеры.

В связи с этим становится актуальным вопрос: что придет на смену полупроводниковой электронике? Ученые из различных областей отвечают на этот вопрос по-разному. Предлагаются решения на основе металлических туннельных структур (одноэлектронных транзисторов), спиновых (спинтронных) устройств, использующих собственный магнитный момент электрона вместо его заряда, наноструктур на основе отдельных кластеров и молекул (молекулярная электроника) и другие подходы, основанные на последних открытиях фундаментальной физики.

Преимущество сверхпроводящей электроники заключается в том, что ток в сверхпроводящих элементах течет без сопротивления, и вопрос о тепловыделении в данном случае решается значительно проще. Сверхпроводящая электроника потребляет мало энергии. Значительно увеличивается тактовая частота, то есть производительность компьютера, что практически невозможно в обычной полупроводниковой логике. В 2012 году была объявлена программа по реализации сверхпроводящего квантового компьютера, но две проблемы еще не решены: достаточно небольшой процессор и память, которая соответствует этой электронике.

НИТУ «МИСиС»

Что такое «Рождественские лекции»?

НИТУ «МИСиС»

Каждый год в конце ноября — начале декабря Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» проводит «Рождественские лекции». Это цикл, в рамках которого ведущие ученые России и мира читают научно-популярные лекции в увлекательном формате — доступным для широкой аудитории языком и на примере объектов, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. «Рождественские лекции» проводятся уже четвертый год подряд, идея проекта принадлежит Департаменту развития приоритетных направлений науки и технологий Минобрнауки России.

В преддверии 2016 года «Рождественские лекции» собрали ученых из различных областей науки, которые рассказали о загадочных явлениях и технологиях будущего и коснулись самых актуальных тем: от поиска новых противоопухолевых аппаратов до результатов исследования фрагментов Челябинского метеорита. Ознакомиться с полными версиями лекций можно на Youtube-канале НИТУ «МИСиС».

Александр Мукасьян

Твердое пламя

Александр Мукасьян
Доктор физико-математических наук, профессор факультета химической и биомолекулярной инженерии Университета Нотр-Дам в США, директор Научно-исследовательского центра «Конструкционные керамические наноматериалы» в НИТУ «НИТУ МИСиС» рассказал о получении самых прочных искусственных материалов с помощью технологии твердого пламени. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции

Твердое пламя не похоже на классическое горение. Это горение абсолютно безгазовое, то есть никакие газофазные продукты ни на каком этапе горения не присутствуют. С помощью этой технологии можно получить уникальный продукт — карбид тантала. Это очень твердое соединение, которое применяется для создания одних из самых прочных композиционных материалов, когда-либо сделанных человечеством. На сегодняшний день синтез материалов горением позволяет получать практически любые соединения, включая керамику и сплавы, композиты и двумерные кристаллы, тонкие пленки и покрытия.

Карбид тантала получают при взаимодействии углерода и тантала. Температура плавления тантала — 3000 градусов Цельсия, температура плавления углерода — 4000 градусов Цельсия. Даже в современных печах расплавить их невозможно. Максимальная температура, которую можно достичь при взаимодействии углерода с танталом, порядка 2700 градусов Цельсия, что тоже недостижимо.

С термодинамической точки зрения, если процесс взаимодействия тантала с углеродом удастся запустить, будут достигнуты очень высокие температуры, но эти температуры будут ниже температуры плавления исходных реагентов и всех возможных промежуточных и конечных продуктов этой системы, поэтому такая реакция будет самоподдерживающейся. Это значит, что если вы смешаете два порошка, локально (около одного кубического миллиметра) прогреете и сынициируете реакцию между танталом и углеродом, то высокая температура этой реакции прогреет следующий слой, реакция продвинется на один шаг вперед. Следующий слой сынициирует реакцию в своем соседе и так далее. Это будет абсолютно твердофазное горение.

Александр Мажуга

Поиск лекарства от рака

Александр Мажуга
Доктор химических наук, доцент, заместитель декана химического факультета МГУ Александр Мажуга рассказал о поиске новых противоопухолевых препаратов и актуальных задачах современной медицины. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции.

Около 8 миллионов человек ежегодно умирает от онкологических заболеваний. Чаще всего у мужчин и женщин диагностируют рак легких, на втором месте стоят онкологические заболевания предстательной и молочной железы. В разработку методов лечения вкладываются колоссальные средства, усилия ученых и фармацевтических компаний. Рынок противоопухолевых препаратов составляет порядка 70 миллиардов долларов, 3% от которых занимает российский рынок. Но бо́льшая часть методов терапии онкологических заболеваний остается малоэффективной. С чем это связано?

Лекарства, которые мы пытаемся использовать в медицинской практике, по большей части низкомолекулярные органические соединения, имеющие ряд недостатков. Во-первых, они очень плохо растворяются в физиологических жидкостях, то есть их достаточно сложно ввести в организм человека. Во-вторых, лекарство может выйти из организма до того, как даст терапевтический эффект: молекула маленькая — порядка одного нанометра — и быстро выводится. Помимо этого, лекарство не всегда может преодолеть ряд биологических барьеров и вообще проникнуть в опухолевую ткань.

Сегодня важно научиться максимально эффективно напрямую доставлять лекарство в пораженную ткань или орган. Для этого необходимо взять лекарство и «упаковать» его в носитель, который будет обеспечивать ему хорошую растворимость, направленную доставку, будет способен проникать через мембраны и вводить препарат в пораженные ткани. Для этого ученые предлагают покрыть наночастицы полимерной гидрофильной оболочкой, благодаря которой клетки нашей иммунной системы не будут воспринимать их как чужеродные. Самое перспективное направление исследований в этой области — разработка препаратов на основе оксидов металлов и наночастиц металлов, в особенности наночастиц золота. Именно за ними многие исследователи видят будущее области.

Игорь Смуров

3D-печать и аддитивное производство

Игорь Смуров
Доктор физико-математических наук, начальник лаборатории инновационных аддитивных технологий, доцент кафедры высокоэффективных технологий обработки МГТУ «СТАНКИН» Игорь Смуров рассказал о новаторской технологической концепции, активно разрабатываемой во всех постиндустриальных странах с начала нынешнего века. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции.

Одной из характеристик постиндустриальной эпохи является цифровая революция, которая затронула все области человеческой жизни, в том числе принцип производства объектов. Большую роль в этом процессе сыграло развитие аддитивных технологий — процесса изготовления с использованием данных компьютерного автоматизированного проектирования. Изделия создаются с помощью последовательно наносимых слоев порошка, расплава пластмассы или металла. Аддитивное производство призвано дополнить привычное нам субтрактивное производство, основанное на удалении первичного материала, то есть точение, сверление и так далее.

Силами аддитивного производства можно создать почти все функциональные изделия из пластика, предметы одежды, медицинское оборудование и протезы, детали и части для сборки, объекты дизайна и интерьера, инженерные конструкции. В последнее время также начали «печатать» живыми клетками, и это означает, что в будущем мы сможем создавать части тела и органы.

Самая известная разновидность аддитивного производства — 3D-печать. 3D-принтеры позволяют получить трехмерный продукт в короткий срок. Принтер управляется программным обеспечением, с помощью которого создается прототип продукта. Отраслевые аналитики предсказывают, что в будущем люди смогут скачивать программное обеспечение и изготавливать необходимые предметы у себя дома или на работе. Развитие 3D-печати сможет сделать производство более индивидуализированным и уменьшить количество лишних товаров на рынке.

Разработки аддитивных технологий уже востребованы в авиации, космонавтике и военной промышленности. Однако само оборудование, как и изделия, имеет сейчас высокую стоимость. На данный момент аддитивное производство развивается в первую очередь в США, Германии, Японии и Китае.

Александр Глезер

Дефекты кристаллической решетки

Александр Глезер
Доктор физико-математических наук, профессор, директор Института металловедения и физики металлов имени Г. В. Курдюмова ЦНИИчермет Александр Глезер рассказал о классификации дефектов кристаллической решетки, их свойствах и пользе для кристаллов. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции.

Для кристаллической структуры характерно правильное расположение частиц в определенных местах. Кристаллическая решетка — это образ, который используется для представления данной структуры у кристаллов. Дефект кристаллической решетки — область кристалла, обладающая повышенной свободной энергией. Устранение дефекта, как правило, повышает совершенность кристалла.

Различают несколько видов дефектов в зависимости от их протяженности: точечные, линейные, плоские и объемные 3D-дефекты. Большинство дефектов кристаллической решетки «вредны» кристаллу, но есть и положительные дефекты. Вакансия, то есть отсутствие одного атома в кристаллической решетке, — один из немногих выгодных дефектов. Наличие ограниченного количества вакансий помогает кристаллу совершать внутренние структурные превращения. Большое число так называемых линейных дислокаций делает металл прочнее, влияет на его пластичность и электропроводность.

Такие дефекты, как примесный атом, атомы внедрения, дисклинации, эффекты границы зерен и стыков, свободные объемы, очень сильно портят металлические материалы, разрушают их кристаллическую структуру. Однако в ограниченном количестве дефекты присутствуют всегда и даже могут являться необходимой частью материала.

Алексей Орлов

Вычислительные системы будущего

Алексей Орлов
Кандидат физико-математических наук, профессор Университета Нотр-Дам в США Алексей Орлов о проблеме тепловыделения, попытках найти альтернативы кремнию и клеточных автоматах на квантовых точках. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции.

Кремниевая цифровая электроника полностью изменила наш мир, создав единое информационное пространство. Именно благодаря песку, окиси кремния (SiO2), в огромном количестве присутствующему на Земле, человечество смогло создать современные электронные приборы, устройства и информационные технологии. Однако сегодня перед кремниевой электроникой остро встала проблема теплоотвода и распределения

Существующие технологии позволяют какое-то время вести развитие без уменьшения размеров приборов. Этот принцип используется в многоядерных процессорах, где происходит параллелизация работы процессоров за счет использования нескольких чипов в одной микросхеме. В краткосрочной перспективе можно пытаться решить проблему теплоотвода с помощью радикальных методов охлаждения, но ученые ищут фундаментальное решение.

Один из подходов — адиабатическая реверсивная логика (АРЛ), основанная на принципе Ландауэра, согласно которому превращение энергии бита в тепло абсолютно неизбежно только при стирании информации. Если же стирание заменить процессом рециркуляции, когда бо́льшая часть энергии бита возвращается в источник питания, большинства потерь можно избежать. В режиме АРЛ можно заставить работать чип так, чтобы тепло выделялось в количествах, на много порядков меньших, чем в нереверсивной логике.

Александр Карпов

Радиотелескопы и детекторы

Александр Карпов
Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «НИТУ МИСиС», дважды лауреат премии НАСА Александр Карпов рассказал о первом отражающем телескопе, изобретениях Уильяма Хершеля и других инструментах для астрофизики. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции.

В 1964 году два английских радиоинженера, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, участвовали в эксперименте с высотными воздушными шарами, с которыми надо было установить радиосвязь. Они сделали радиоприемник и обнаружили странный шум. Когда они проанализировали данные, оказалось, что со всех сторон к Земле идет радиоизлучение. Это след Большого взрыва, создавшего нашу Вселенную. Так состоялось открытие реликтового излучения, за которое Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию. В дальнейшем при более тщательном исследовании плотности реликтового взрыва пришли к выводу, что бо́льшая часть мира состоит из материи, о природе которой нам ничего не известно, — темной материи. Эти и многие другие открытия были сделаны с помощью радиотелескопов.

Оптические телескопы могут видеть только свет, идущий от горячей материи. Однако бо́льшая часть материи холодная и света не испускает. Изучение холодной материи стало возможным благодаря созданию радиотелескопов. А в последние десятилетия были созданы космические обсерватории, позволяющие проводить наблюдения без малейших шумов. Например, радиотелескоп под названием «София» спрятан внутри огромного самолета «Боинг-737», который может подниматься на высоту до 15 км. Еще один пример — телескоп «Гершель», который был запущен в 2009 году с космодрома на Французской Гвиане и отправился в точку Лагранжа (L2) в системе Солнце — Земля. Также стоит упомянуть JWST NASA, телескоп следующего поколения, который должен быть запущен в течение нескольких лет, — один из самых сложных проектов за последние годы, и результаты его работы нам еще только предстоит увидеть.

Николай Усов

Магнитные наночастицы в биомедицине

Николай Усов
Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИЗМИРАН, профессор Обнинского института атомной энергетики Николай Усов рассказал о сверхпрочной магнитной записи информации и основоположниках современного ферромагнетизма. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции.

Магнетизм интересен тем, что его использование в различных приложениях охватывает огромное количество направлений. Среди них есть очень старые. Например, магнитная запись начала развиваться в 50-х годах прошлого века, а сегодня говорят о сверхплотной записи. Новое направление — спинтроника — развивается буквально на наших глазах. Первые теоретические публикации в этом направлении появились в конце прошлого века. Речь идет о том, чтобы менять магнитное состояние вещества не внешним магнитным полем, а спин-поляризованным током. Прогресс современных исследований в магнетизме основан на изучении и использовании в новых технологиях наноразмерных магнитных материалов: нульмерных (наночастицы), одномерных (микро- и нанопровода, нанотрубки) и двумерных (тонкие магнитные пленки и наноэлементы).

Свое применение исследования магнетизма найдут и в биомедицине — это область, которая сейчас только формируется. Первые важные прорывы в этой сфере начали происходить с 2007 года. Магнитные наночастицы в биомедицине активно используют в нескольких направлениях. Во-первых, это магнитная сепарация, то есть управление потоками магнитных частиц в жидкости под давлением градиента внешнего магнитного поля. Во-вторых, это адресная доставка лекарств — возможность покрывать внешнюю поверхность наночастиц оболочками, избирательно взаимодействующими с биологическими агентами (антителами, генами и пр.). В-третьих, это магнитная гипертермия — локальный перегрев тканей организма за счет выделения тепла при перемагничивании частиц переменным магнитным полем умеренной амплитуды.

Альберт Насибулин

Однослойные углеродные нанотрубки

Альберт Насибулин
Доктор физико-математических наук, профессор Сколковского института науки и технологий, профессор Университета Аалто Альберт Насибулин рассказал о синтезе и возможностях применения однослойных углеродных нанотрубок. Для вас мы пересказываем самые важные и интересные моменты его лекции.

Однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ) представляют собой уникальное семейство материалов, обладающих исключительными химическими и физическими свойствами. Тепловая проводимость таких нанотрубок в 2 раза выше, чем у алмаза, они проводят электрический ток лучше, чем кремний. Термическая устойчивость ОУНТ достигает 1500°С, в то время как полимеры разрушаются при температурах выше 150 °С. ОУНТ в 2 раза легче алюминия и в 25 раз прочнее высокопрочной стали.

Углеродные нанотрубки можно использовать в качестве анода в литиевых батареях, в качестве суперконденсаторов, и, кроме того, они являются эффективными элементами в солнечных батареях — на красителях, а также на гетеропереходах, где кремниевый π-слой был замещен однослойными нанотрубками. Кроме того, из углеродных нанотрубок возможно сделать различные газовые и оптические сенсоры довольно широкого спектрального диапазона. Углеродные нанотрубки можно использовать в качестве прозрачных электродов и транзисторов.

Один из главных методов получения ОУНТ — аэрозольный метод (catalyst floating). Поскольку ОУНТ, синтезированные этим методом, практически не содержат аморфного углерода и других нежелательных углеродных примесей, продукт может быть использован непосредственно в том виде, в котором он покидает реактор. Аэрозольный метод синтеза УНТ и приготовление прозрачных электродов являются перспективными методами для их коммерциализации в будущей гибкой и эластичной электронике.