Фундаментальные основы и новые технологии ускоренной разработки перспективных функциональных материалов на основе суперкомпьютерного моделирования, потокового синтеза и диагностики под управлением искусственного интеллекта

Создание новых функциональных материалов с уникальными характеристиками является одним из важнейших направлений исследований в области наук о материалах. Для получения прецизионной информации о таких основополагающих параметрах материалов как их локальная атомная и электронная структуры и их динамика в ходе технологических процессов все чаще используется неразрушающая спектральная диагностика в режиме in situ и operando как на лабораторном оборудовании так и в центрах синхротронного излучения и рентгеновских лазерах на свободных электронах. Такие установки являются в настоящее время одним из мировых трендов в развитых странах, готовящихся перейти на уровень Индустрии 4.0, и в России 16 марта 2020 года принята Федеральная научно-техническая программа развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры. Научные коллективы со всего мира на конкурсной основе получают возможность проведения своих исследований в синхротронных центрах длительностью 3-10 дней в году. В течение этого времени коллектив работает 24 часа в сутки, но большой объем получаемых экспериментальных данных не позволяет проводить их анализ прямо в ходе эксперимента. Зачастую только после нескольких месяцев обработки данных, проводимой по возвращению в домашнюю лабораторию, исследователи понимают, что качество полученных данных принципиально не позволяет получить ответы на поставленные при эксперименте вопросы. Ответа на этот большой вызов до сих пор не найдено и в мировой практике. Применение синхротронных и нейтронных исследовательских методик, обеспечивающих субатомное разрешение и неразрушающий характер исследования функциональных материалов, позволит оперативно разрабатывать, сертифицировать и контролировать качество материалов, используемых в высокотехнологических процессах. Одним из наиболее перспективных направлений нанодиагностики материалов является operando диагностика – то есть исследования материалов непосредственно в ходе процессов при реальных технологических условиях. Большой объем получаемых экспериментальных данных в настоящее время уже не позволяет проводить их анализ непосредственно в ходе эксперимента. В ходе выполнения настоящего проекта будет разработана серия новых методик проведения неразрушающей operando нанодиагностики материалов с использованием технологий искусственного интеллекта для анализа данных и корректировки условий эксперимента на лету. Применение методов машинного обучения позволит контролировать качество данных и определять в ходе эксперимента значения ключевых параметров локальной атомной и электронной структур материалов при реальных технологических условиях, включая экстремальные. Поэтому предлагаемое в настоящем проекте решение этой проблемы является несомненно актуальным, причем не только на российском, но и на мировом научном ландшафте. Важность планируемых результатов для мировой науки и ответов на глобальные вызовы: Планируемые результаты настоящего проекта будут иметь важное значение как для фундаментальной науки в области новых функциональных материалов, так и для ответов на такие глобальные вызовы как: 1) истощение ресурсов ископаемых энергоносителей, 2) загрязнение окружающей среды, 3) необходимость быстрого реагирования на техногенные и природные катастрофы и многие другие. Разработка новых функциональных материалов включает исследования устойчивости материалов в экстремальных состояниях и динамику их поведения в различных процессах, что требует применения времяразрешающих методик при проведении экспериментов. Особенно востребовано применение синхротронного излучения для изделий, работающих в экстремальных условиях (изделия для атомной энергетики, морской, космической техники, для работы в условиях высоких давлений и экстремальных температур). С помощью соответствующего окружения образца можно моделировать воздействие экстремальных условий на материалы и наблюдать в динамике изменение прочностных и функциональных характеристик изделий.