Химия, физика и биология наносостояния

Проведенные исследования обеспечили разработку новых подходов к конструированию материалов, синтезу новых материалов и созданию новых процессов синтеза. К ним относятся определение симметрии и топологического кода процессов самосборки кристаллических структур двойных интерметаллидов из нанокластеров-прекурсоров; разработка теории кристаллизации различных модификаций льда с использованием клеточных автоматов; разработка нового поколения броневых материалов на основе алмазных порошков с высочайшим комплексом механических свойств; синтез алюмосиликатных наноструктур заданного состава и морфологии; метод поиска материалов на основе высокопроизводительных расчетов; компьютерное моделирование акустических свойств конструкций с геометрией трижды периодических поверхностей минимальной энергии (ТППМЭ); технология 3D печати керамических материалов сложной топологии; а также разработка СВЧ технологий синтеза неорганических конструкционных и функциональных материалов с улучшенными свойствами. Работы по формированию и моделированию структуры вещества основаны на представлениях о трижды периодических поверхностях минимальной энергии. Известно, что большое количество структур можно описать очень ограниченным количеством минимальных поверхностей, существует определенная связь между симметрией поверхностей, пространственными группами и структурами. Проводились исследования в области моделирования процессов самоорганизации систем (атомов в кристаллической структуре) на супраполиэдрическом уровне и геометрического и топологического анализа кристаллических структур. С помощью пакета программ ToposPro осуществлялся геометрический и топологический анализ кристаллической структуры значительного количества веществ, в том числе различных модификаций льда. Это позволяет реконструировать симметрийный и топологический код процессов самосборки 3D структур из нанокластеров-прекурсоров (формирование решеток) в виде: первичная цепь -> микрослой -> микрокаркас. Также проводилась разработка теории кристаллизации различных модификаций льда с использованием клеточных автоматов. Разработан новый броневой композиционный материал алмаз-карбид кремния с повышенными механическими характеристиками, по сравнению со свойствами стандартных броневых материалов. Проведены испытания разработанных на основ этого материала бронепанелей в АО «ЦНИИТочмаш». Проведённые испытания показали, что бронепанели имеют повышенную стойкость против пулевого воздействия по классу защиты Бр.5. Проводился синтез алюмосиликатных наноструктур заданного состава и морфологии и разработка новых функциональных материалов на их основе. В гидротермальных условиях синтезированы и исследованы алюмосиликаты подгруппы каолинита с различной морфологией частиц. Впервые установлена зависимость токсичности, биологической активности и сорбционной способности неорганических частиц от их морфологии на примере алюмосиликатных частиц различной формы (пластинчатой, нанотрубчатой, сферической, наногубчатой). Исследованы физико-химические свойства, пористо-текстурные характеристики и сорбционные свойства ряда синтетических алюмосиликатов и их природных аналогов. Определены перспективные направления их применения для решения задач медицины и экологии, в частности – для разработки энтеро- и гемосорбентов, носителей лекарственных препаратов, в том числе литий содержащих. Методом ab initio и кинетического метода Монте-Карло исследованы удельные характеристики, процесс роста, морфология и габитус кристаллов NiF3, рассматриваемых в качестве катодов Mg-ионных батарей. По результатам моделирования определено, что равновесное значение пересыщения составило 2.1 ккал/моль, на гранях наблюдаются большое количество ступенек, которые зарастают, образуя плоские грани. Форма кристалла представляет собой результат кинетического процесса роста и/или растворения. Осуществлялось компьютерное моделирование акустических свойств материалов и конструкций с высокими звукопоглощением и одновременно с высокими механическими свойствами на основе геометрии ТППМЭ с помощью метода конечных элементов. Для оценки звукопоглощения и удельного акустического импеданса было проведено моделирование методом конечных элементов в программном пакете Comsol Multiphysics. Были разработаны двухмерные модели, учитывающие геометрию структур, а так же свойства материалов. Моделирование осуществлялось с использованием уравнений Johnson-Champoux-Allard (JCA) и Delany-Bazley-Miki (DBM). Для получения керамических изделий сложной формы с использованием аддитивных технологий разработан экструдер для печати керамикой состоящий из компрессора, который подаёт разогретый до температуры 80°С материал из резервуара в экструдер модифицированного FDM 3D-принтера. В качестве материалов для 3D-печати используются разработанные керамические пасты, состоящие из смеси порошков корунда с парафином. Полученные после печати изделия по своим свойствам ничем существенно не отличаются от заготовок, получаемых традиционными методами шликерного литья. Разработана методика изготовления керамических изделий сложной формы, позволяющая получать изделия различной формы, которые найдут широкое применение в промышленности, например, крыльчатки, элементы подшипников, сопла, теплозащитные материалы, защитные материалы, в том числе бронеэлементы. Разработана СВЧ технологии синтеза неорганических конструкционных и функциональных материалов с повышенными свойствами, по сравнению с традиционным спеканием, требующая сравнительно низкие температуру и время. По свойствам полученные материалы превосходят материалам, синтезированным в муфельной печи. Разработана технология синтеза люминесцентных порошков силикатных порошков, активированных европием, для светотехники, фотоники и дисплейных технологий. По результатам исследования в 2022 г. опубликовано 13 статей в рецензируемых изданиях, 3 из них – в журналах Q1-Q2, получены 2 патента на изобретение, защищена 1 диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук.