Интеллектуальные материалы, которые адаптируются к изменениям окружающей среды, экологически чистые удобрения, повышающие урожайность, высокотехнологичные разработки для медицины, бионические протезы и экзоскелеты, превращающие человека в киборга, и метаматериалы, позволяющие создавать «плащ-невидимку» — всё это обсуждается на Форуме будущих технологий, проходящем в Москве.
В науке о материалах происходит революция
Форум проводится третий год подряд. Тематика каждый раз новая. Если в 2023 году говорили о квантовых технологиях, в 2024-м — о медицине будущего, то теперь учёные собрались, чтобы обсудить новые материалы и химию.
Вам кажется, что химия — это скучно? «Вы что, химия — это очень увлекательно! — убеждён профессор Сколтеха, химик-кристаллограф Артём Оганов. — В нашей лаборатории мы создаём материалы с заранее предсказанными свойствами — вплоть до таких, которые невозможно превзойти. То есть с суперсвойствами! Например, феноменальной твёрдостью обладает полученный нами борид вольфрама. Этот материал можно применять в бурении, изготавливая из него резцы, или использовать в наконечниках пуль и снарядов, способных пробивать броню».
По словам Оганова, сейчас в этой научной области происходит революция. Если раньше новые материалы создавали методом проб и ошибок, то сейчас можно вести их целенаправленный поиск.
«Почти все свойства материала определяются его кристаллической структурой, — объясняет он. — Теперь учёные могут предсказывать свойства, кристаллическую решётку и потенциальные применения ещё не созданного материала. А методы искусственного интеллекта позволяют быстро подобрать нужный вариант из огромного количества».
Россия была и сейчас остаётся одной из стран-лидеров в области материаловедения. Сильные школы этого научного направления сформировались у нас во времена СССР и до сих пор не утратили авторитета в международном сообществе. В российских лабораториях занимаются получением сверхтвёрдых и ультралёгких материалов, термоэлектриков, сверхпроводников…
Все они предназначены для решения конкретных прикладных задач. На одной из площадок форума обсуждали материалы для Арктики. Её освоение является важнейшей задачей для России. Там находятся огромные запасы углеводородов, пролегает Северный морской путь, значительно сокращающий доставку грузов из Азии в Европу по сравнению с Суэцким каналом, в конце концов, это зона обеспечения нашей национальной безопасности.
Но климат Крайнего Севера суров. Поэтому учёные разрабатывают хладостойкие стали (пригодятся на буровых установках и платформах), морозостойкие уплотнительные материалы (понадобятся для обеспечения комфортного проживания персонала тех же буровых платформ) и др.
Материалы с экстремальными характеристиками — керамика, металлические сплавы, полимеры — требуются не только на Земле, но и в космосе, где иные температуры (как низкие, так и высокие), другая химическая среда, давление, уровень радиации и механических нагрузок. Их тоже создают в российских лабораториях.
Электрод, который обманет мозг
А здоровье? Что может быть важнее для современного человека? На стыке физики, химии, биотехнологии, биофизики, молекулярной и клеточной биологии учёные разрабатывают биоматериалы для регенеративной медицины. Например, биоразлагаемые полимеры, которые открывают возможность создания биоискусственных каркасов самых разных органов.
«Или возьмём проводящие полимеры. Если раньше пациенту имплантировали в мозг буквально металлический электрод (они до сих пор используются), то теперь их заменяют на более современные материалы, — рассуждает генеральный директор Федерального центра мозга и нейротехнологий ФМБА России Всеволод Белоусов. — В первую очередь, оказался полезен графен — двумерная модификация углерода. Оказалось, что его проводящие свойства позволяют применять его в устройствах для нейроимплантации, причём делать их минитаюрными. Кроме того, на основе графена можно делать различные датчики, сенсоры».
Ещё один пример, который приводит Всеволод Белоусов — мягкие электроды, которые по своим свойствам фактически повторяют биомеханику мозговой ткани. Дело в том, что наш мозг — это желеобразная субстанция, которая пытается отторгнуть любой твёрдый предмет, в неё проникающий. Точно также организм поступает с занозой — он стремится изолировать её от кожного покрова, как только она в него вошла.
«Когда мы погружаем в мозг пациента твёрдый электрод, он со временем обрастает капсулой из глиальных клеток, — объясняет Всеволод Белоусов. —Для электродов, которые снимают сигнал с нейронов, это становится проблемой — они уже неспособны ничего снимать с нейронов. И главное решение здесь — делать мягкие электроды, которые будут обманывать защитную систему организма. Их создают из биосовместимых и токопроводящих полимеров. У нас в России несколько научных групп ведут разработки таких электродов».
Цифровой двойник для материала
Другая актуальная тема — продовольственная безопасность. Учёные ищут химические соединения для производства удобрений XXI века — экологически чистых, с низким содержанием нитратов, имеющих сбалансированный состав и способных долго питать растения. А также повышать урожайность и качество плодов.
«Агрохимия — это огромная отрасль, которая постоянно растёт. Если в 2010-е годы средняя инвестиционная активность в химической отрасли России составляла около 500 миллиардов рублей в год, то в 2023 году, по данным Минпромторга, она достигла 1 триллиона, а в 2024-м выросла до 1,6 триллиона рублей. Из этих средств за срок с 2013 по 2023 годы более 1,3 триллиона составили инвестиции в отрасль минеральных удобрений», — утверждает директор по направлению «Химия» департамента развития приоритетных проектов Фонда «Сколково» Олег Калинко.
Учёные-химики пытаются заглядывать в будущее. Одна из сессий Форума будущих технологий была посвящена метаматериалам — композиционным материалам, свойства которых в природе не встречаются, да и технологически эти материалы сложно изготовить. Чтобы получить желаемые свойства, учёные внедряют в их природный состав искусственные периодические структуры. Самая заманчивая перспектива здесь — создать материалы с отрицательным показателем преломления. Они заставят свет изгибаться в обратном направлении, что сделает такие материалы (и укрытые ими объекты) невидимыми. По сути, речь идёт о создании плаща-невидимки.
Ну и куда в XXI столетии без цифровых технологий? Для современных химиков это рутина.
«Сейчас всё шире используется цифровое материаловедение, — рассказал начальник испытательного центра НИЦ „Курчатовский институт“ Михаил Горбовец. — Что это такое? Это создание цифрового двойника материала, оцифровывание всего его жизненного цикла. Такой подход обеспечивает все необходимые свойства, которые мы у него ищем. Для понимания важности скажу: все созданные за последние 20 лет жаропрочные никелевые сплавы были созданы с помощью специальных цифровых моделей. На них отрабатывался их состав, виды технологий. Этот подход позволял быстрее получать нужный материал».