Материаловедение и аддитивные технологии

Химики ТГУ создали «умные» ткани, встроив в них МОК 🇷🇺 Учёные Томского государственного университета разработали метод получения гибридных тканевых материалов, обладающих сорбционными, каталитическими и фотокаталитическими свойствами. В основе подхода - выращивание наночастиц металлоорганических каркасов непосредственно в структуре натурального (хлопок) или синтетического (полиэтилентерефталат, ПЭТФ) волокна. В отличие от простого нанесения, такая иммобилизация обеспечивает высокую стабильность и позволяет довести содержание MOF до 10–25% без потери гибкости и прочности ткани. 🔬MOF - класс кристаллических пористых материалов, за разработку которых присуждена Нобелевская премия по химии 2025 года. Однако их практическое применение ограничено из-за сыпучести и неполного использования пористой структуры. Химики ТГУ предложили вводить в ткань предшественник, который в мягких условиях (нагрев в воде или органическом растворителе в присутствии молекул-линкеров) самоорганизуется в частицы MOF на поверхности нитей и в межволоконном пространстве. Три типа каркасов продемонстрировали различные функции: Cu-HKUST придаёт ткани способность поглощать газообразные загрязнители; второй тип не только сорбирует опасные органические соединения, но и каталитически их разрушает; третий (MIL-100(Fe)) проявляет фотокаталитическую активность - разлагает фенол в воде под действием солнечного света при комнатной температуре. Полученные композиты сочетают полезные свойства ткани - механическая стабильность, фильтрация, с функциями MOF - сорбция, катализ, фотокатализ. Это открывает путь к созданию самоочищающихся материалов: ткань поглощает вредные вещества из воздуха или запахи, а затем под воздействием света разлагает их до безопасных продуктов. Другие перспективные применения - капсулирование лекарств для чрескожной доставки, контроль вредных факторов на производстве, введение антипиренов для подавления горения. Работа поддержана госзаданием Минобрнауки, получен патент РФ. Результаты опубликованы в журналах Inorganic Chemistry Communications (Q1) и «Журнал неорганической химии».

Материаловеды выявили скрытые дефекты порошков для 3D-печати и достигли сверхнизкой пористости аддитивных изделий 🇷🇺 Исследователи НИИ материаловедения и инновационных технологий НИУ «БелГУ» в рамках проекта «Разработка технологий селективного лазерного сплавления» программы «Приоритет-2030» установили, что внутренние поры в исходных металлических порошках, получаемых методом газовой атомизации, могут «наследоваться» готовыми изделиями при 3D-печати. Обнаружено, что размер таких унаследованных пор не превышает 100 нм, что делает их невидимыми для стандартных методов оптической микроскопии, рекомендованных ГОСТ. Для их выявления необходима растроваяэлектроннаямикроскопия в режиме обратно рассеянных электронов. 🔬 Форма, размер частиц и их внутренняя дефектность критически влияют на точность и механические свойства аддитивных изделий. Учёные доказали, что часть микропор, возникших в процессе распыления расплава при производстве порошка, сохраняется после селективного лазерного сплавления, ухудшая прочность и пластичность конечных деталей. Этот эффект ранее недооценивался, поскольку стандартная аттестация порошков не требует контроля нанопор. 🔎 Оптимизировав режимы 3D-печати (мощность лазера, скорость сканирования, шаг между треками) для теплотехнической стали типа Р92, исследователи добились номинального уровня пористости менее 0,5% - материала, который можно считать практически беспористым. Такой результат значительно превышает типичные показатели для аддитивных конструкционных сплавов (1-5% пористости) и приближается к плотности традиционно изготавливаемых изделий. Разработка позволяет повысить надёжность и ресурс деталей, производимых методом селективного лазерного плавления, для энергетического машиностроения и других высокотехнологичных отраслей. Полученные данные также указывают на необходимость пересмотра методов входного контроля порошков: введение обязательной электронно-микроскопической оценки внутренней дефектности частиц.

Создан новый тип полупроводника на основе германия, обладающего сверхпроводимостью 🌐 Международная группа исследователей превратила германий (один из базовых полупроводников микроэлектроники) в сверхпроводник, сохранив его кристаллическую структуру. Ключевым препятствием, которое десятилетиями не удавалось преодолеть, было разрушение идеальной алмазоподобной решётки германия при введении высоких концентраций легирующей примеси, необходимой для возникновения сверхпроводимости. Учёные решили эту проблему, применив метод молекулярно-лучевой эпитаксии: атомы галлия не хаотично внедрялись в междоузлия, а целенаправленно замещали атомы германия в узлах кристаллической решётки в концентрациях, ранее считавшихся недостижимыми без разрушения материала. Возникшая при этом небольшая деформация не нарушила стабильности кристалла, что и оказалось решающим фактором. 🧪 В полученном материале высокая концентрация носителей заряда позволила электронам объединяться в куперовские пары, которые движутся через кристалл без рассеяния, обеспечивая нулевое электрическое сопротивление. Сверхпроводящее состояние достигается при температуре около 3,5 К - чрезвычайно низкой, но достижимой с помощью существующих криогенных систем. Важно, что сверхпроводимость реализована именно в германии, который уже является краеугольным камнем полупроводниковой индустрии: он широко применяется в высокочастотных чипах, волоконно-оптических системах и высокоэффективных транзисторах. Сверхпроводящий германий открывает путь к созданию принципиально новых гибридных устройств, где классические полупроводниковые компоненты и сверхпроводящие элементы сосуществуют на одном кристалле. Это особенно важно для масштабируемых квантовых процессоров, высокочувствительных магнитометров (SQUID) и энергоэффективной криогенной электроники. В отличие от многих экзотических сверхпроводников, германий совместим с существующей кремниевой технологией, что приближает промышленное производство квантовых устройств. Как подчёркивают авторы работы, демонстрация сверхпроводимости в германии создаёт беспрецедентные возможности для разработки готовых к масштабированию квантовых схем, способных работать в интеграции с классической электроникой.

Новая сталь сочетает сверхпрочность, пластичность и вязкость 🇷🇺 Исследователи НИИ материаловеденияи инновационных технологийНИУ «БелГУ» разработали экономнолегированную сталь с уникальным сочетанием механических свойств: пределом текучести 1190 МПа, относительным удлинением 14,1% и ударной вязкостью 66 Дж. В отличие от традиционных высокопрочных сталей, где углерод связывается в хрупкие карбидные частицы, авторы направили его на стабилизацию пластинчатого аустенита. 🔎 Ключевым достижением является преодоление классического компромисса между прочностью и вязкостью. Это реализовано с помощью комбинированной термообработки «закалка-распределение» с изотермической выдержкой. Режимы рассчитывались методом компьютерного моделирования, а структура исследовалась методами растровой электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. 🔬 В результате сформирована иерархическая трёхфазная структура: матрица из отпущенного мартенсита с включениями сверхпрочного бейнита и стабильного аустенита. Прочный «каркас» (мартенсит + бейнит) обеспечивает высокую сопротивляемость нагрузкам, а пластичные прослойки аустенита - релаксацию напряжений и торможение распространения трещин, что даёт высокую ударную вязкость. Разработанная сталь предназначена для износостойких элементов сельскохозяйственной и дорожной техники, деталей подвески и ходовой части транспортных машин. Проект снижает зависимость от импорта высокопрочных сталей и повышает энергоэффективность конструкций. После завершения лабораторного этапа планируются опытно-промышленные испытания.

Создан эффективный метод захоронения радиоактивного стронция-90 в минералоподобной керамике 🇷🇺 Исследователи Дальневосточного федерального университета совместно с коллегами из СахГУ, ИХТРЭМС КНЦ РАН и ИОНХ НАН Беларуси разработали технологию иммобилизации опасного изотопа стронций-90 (⁹⁰Sr) в стабильной керамической матрице с использованием природного каолина и реакционного искрового плазменного спекания (R-SPS). Результаты опубликованы в Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 📺 Стронций-90 - один из наиболее опасных продуктов деления урана с периодом полураспада около 30 лет. Он обладает высокой радиотоксичностью и подвижностью, способен накапливаться в костной ткани, требуя надёжной изоляции на сотни лет. Традиционные методы иммобилизации (цементирование, остекловывание) либо увеличивают объём отходов, либо не гарантируют долговременной стабильности. 🔬 Авторы смешали порошок каолина (месторождение Аухтиярви, Карело-Кольский регион) с карбонатом стронция (имитатором радиоактивных отходов) и подвергли смесь R-SPS: нагрев импульсами электрического тока под давлением в течение 5 минут при 1000°C. Высокая скорость нагрева и приложенное давление предотвращают улетучивание радиоактивных компонентов, что критически важно для безопасности процесса. 🪨 В ходе одностадийного реакционного спекания стронций не просто механически смешивается с глиной, а химически встраивается в кристаллическую решётку двух новообразованных минералов - стронциевого полевого шпата (SrAl₂Si₂O₈) и Sr-геленита (Sr₂Al₂SiO₇). Сканирующая электронная микроскопия подтвердила однородную микроструктуру с равномерным распределением Sr, а рентгенофазовый анализ - целевые минеральные фазы. Тесты на гидролитическую стойкость (скорость выщелачивания ионов стронция в водную среду) показали значение 1,79×10⁻⁵ г/(см²·сут) при 30 мас.% Sr. За 30 дней из материала выщелочилось лишь 0,62% стронция, что на порядок превосходит показатели синтеза из чистых оксидов. Полученная керамика по составу и структуре близка к природным минералам, сохраняющим стабильность миллионы лет, что делает её перспективной для долговременных геологических хранилищ. Дальнейшие исследования направлены на оптимизацию состава и режимов спекания для достижения самых строгих международных стандартов.

Получены пленки оксида цинка с идеальной вертикальной ориентацией кристаллитов Исследователи Дагестанского государственного университета разработали технологию получения тонких пленок оксида цинка (ZnO) на аморфной подложке SiO₂/Si, в которых оси кристаллитов ориентированы строго перпендикулярно поверхности - нулевая аксиальная разориентация. Такой предельно упорядоченный рост критически важен для пьезоэлектронных устройств, где эффективность преобразования механических колебаний в электрический сигнал напрямую зависит от ориентации кристаллитов. Результаты опубликованы в журнале Thin Solid Films. 🔬 ZnO - прозрачный, нетоксичный полупроводник с вюрцитной структурой, устойчивый к радиации и совместимый с тонкопленочными технологиями. Он перспективен для высокочастотных фильтров и резонаторов (системы 5G/6G), акустооптических модуляторов, датчиков и элементов микроэлектромеханических систем. Однако при осаждении на аморфные подложки кристаллиты обычно растут с некоторой разориентацией, снижая пьезоотклик. Предыдущие исследования не позволяли полностью устранить этот эффект. 🔎 Авторы выявили физическую причину, определяющую ориентацию роста: решающую роль играет зарядка растущей поверхности кристалла электронами из магнетронной плазмы - плавающий потенциал подложки. Именно этот фактор, ранее недооценивавшийся, во взаимодействии с полярной вюрцитной структурой ZnO стабилизирует вертикальный рост кристаллитов. Оптимизация этого параметра в сочетании с высокоскоростным режимом осаждения позволила достичь предельного структурного совершенства пленок. Работа демонстрирует, что управление ориентацией кристаллитов определяется не только традиционными параметрами (температура, давление газа, мощность разряда), но и тонкими кристаллохимическими и плазменными факторами. Полученный результат открывает возможность распространения подхода на другие полупроводники со сходным строением и создает основу для повышения эффективности отечественной пьезоэлектроники, акустооптики и устройств беспроводной связи нового поколения.

В МИСИС создали алюминиевый композит для 3D-печати, сочетающий прочность, пластичность и радиационную стойкость 🇷🇺 Исследователи НИТУ МИСИС разработали композиционный материал на основе силумина (Al–Si), армированный наночастицами карбида вольфрама (WC), пригодный для аддитивного производства деталей сложной геометрии для аэрокосмической и атомной промышленности. Работа опубликована в International Journal of Advanced Manufacturing Technology и поддержана грантом РНФ. 🔎 Ключевая проблема при создании алюмоматричных композитов с наноразмерными армирующими частицами - их неравномерное распределение в матрице, приводящее к формированию нежелательных фаз при высокотемпературной 3D-печати и ухудшению сыпучести порошка. Учёные МИСИС использовали двухэтапный подход: сначала методом низкоэнергетического планетарного шарового измельчения получен гомогенный порошок композита с 1 мас.% WC, сохранивший сыпучесть и насыпную плотность; затем исследована фазовая эволюция при аддитивном производстве. Установлено, что в процессе спекания формируются метастабильный β-вольфрам и интерметаллид Al–W, которые дополнительно упрочняют матрицу. Полученный композит демонстрирует предел прочности при растяжении ≈400 МПа при относительном удлинении 4%, что сопоставимо с лучшими силуминовыми аналогами. В настоящее время образцы проходят испытания облучением ионами криптона (147 МэВ, поток 5,6×10¹⁵ ион/см²), моделирующими экстремальные условия длительной радиационной нагрузки. Теоретически введение WC повышает радиационную стойкость композита, что в сочетании с малой плотностью алюминиевой матрицы делает разработку перспективной для производства деталей космических аппаратов и элементов ядерных реакторов методом 3D-печати.

Отечественный полимербетон, превосходящий зарубежные аналоги по прочности на 15–20% 🇷🇺 Учёные Пермского политеха создали композиционный материал на основе эпоксидной смолы и доступного отечественного сырья, предназначенный для строительства фундаментов, дорожных покрытий, мостов и монтажа тяжелого промышленного оборудования. Разработка открывает возможности для импортозамещения в строительной отрасли. Исследование опубликовано в «Вестнике ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение» и выполнено в рамках программы «Приоритет 2030». 🔎 Традиционные цементные бетоны, широко применяемые в гражданском и промышленном строительстве, обладают ограниченной долговечностью при воздействии динамических нагрузок, вибраций, влаги и химических реагентов, что приводит к растрескиванию и преждевременному разрушению конструкций. Полимербетоны на основе эпоксидных смол лишены этих недостатков, однако существующие составы содержат дорогостоящие импортные компоненты, а отечественные системные разработки до настоящего времени отсутствовали. 🔬 Авторы подобрали рецептуру, полностью базирующуюся на российском сырье: эпоксидная смола (основа), мелкодисперсные наполнители (белая сажа, аэросил, оксид железа, кварцевый песок), рубленое стекловолокно и гидрофобизирующая добавка. Экспериментально определено оптимальное соотношение: 40% связующего и 60% наполнителей. После заливки в формы образцы выдерживались при комнатной температуре в течение семи дней до полного отверждения. 🇨🇺 Испытания на сжатие показали, что разработанный полимербетон достигает прочности 106 МПа, что в 2,5–5 раз выше, чем у обычного цементного бетона (20–40 МПа), и на 15–20% превосходит импортные аналоги (80–90 МПа). Материал также характеризуется повышенной стойкостью к влаге, температурным перепадам и химическим воздействиям благодаря оптимизированному составу наполнителей. Разработка предназначена для устройства фундаментов зданий и промышленного оборудования, ремонта мостов, путепроводов и железнодорожных путей, а также создания дорожных покрытий, испытывающих постоянные динамические нагрузки. Использование отечественного сырья обеспечивает значительное снижение стоимости по сравнению с импортными составами и прогнозируемость эксплуатационных свойств материала.

🔬 РТУ МИРЭА приглашает на презентацию профиля «Современные и перспективные материалы» 🎓 Передовая инженерная школа СВЧ‑электроники 📅 14 апреля | 19:00 ⏱ 60 минут 🌐 Онлайн | Бесплатно Для кого: учащиеся 9–11 классов и все, кто интересуется материаловедением. Что вас ждёт: ✅ Всё о направлении 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» – миссия, особенности обучения. ✅ Ключевые дисциплины и современные лаборатории. ✅ Предприятия-партнёры: стажировки и работа. ✅ Востребованные навыки выпускников и карьерные траектории. ✅ Живой диалог с преподавателем – можно задать вопросы. Ведущий: Тюрина С.А., доцент кафедры инженерии материалов РТУ МИРЭА. Как подключиться: ➡️ Зарегистрируйтесь на мероприятие на сайте https://priem.mirea.ru/event?event_id=7309 ➡️ Ссылка на трансляцию появится в вашем личном кабинете абитуриента сразу после регистрации.

Физики настроили углеродные нанотрубки для терагерцовой электроники 🇷🇺 Физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ экспериментально доказали, что кислородные дефекты в углеродных нанотрубках являются не разрушающим фактором, а эффективным инструментом тонкой настройки свойств материала. Результаты исследования, опубликованные в Journal of Physics and Chemistry of Solids, открывают путь к созданию управляемых компонентов для терагерцового диапазона с заранее заданными параметрами. ⚡️ В ходе эксперимента исследователи синтезировали одностенные углеродные нанотрубки диаметром около 2 нанометров и подвергли их воздействию кислородной плазмы с экспозицией от 10 до 90 секунд. Такой подход позволил наращивать концентрацию точечных дефектов в пределах одной и той же партии материала, исключая влияние иных структурных переменных. Комбинируя методы терагерцовой и рамановской спектроскопии, авторы проследили прямую корреляцию между числом дефектов и изменением электродинамических характеристик пленок. Выяснилось, что дефекты укорачивают свободный пробег носителей заряда, что закономерно сдвигает частоту плазмонного резонанса вверх. Одновременно с этим происходит практически двукратное падение фотопроводимости уже после первых секунд обработки плазмой, поскольку на дефектных узлах усиливается рассеяние электронов и дырок. 🔬Ученые зафиксировали немонотонную зависимость времени рассеяния от приложенного поля, что указывает на конкуренцию нескольких механизмов потерь энергии при высокой концентрации дефектов. Также было обнаружено изменение знака действительной части фотопроводимости в определенных участках спектра - свидетельство неравновесного перераспределения носителей по энергетическим зонам. С практической точки зрения это означает, что варьируя степень дефектности, можно управлять временем релаксации возбужденных состояний, что критически важно при разработке высокочувствительных сенсоров и быстродействующих модуляторов. Ключевой вывод работы заключается в том, что введение кислородных функциональных групп с помощью плазменной обработки позволяет целенаправленно смещать терагерцовый отклик материала. Моделирование на основе полученных данных показало, что дефектные образцы углеродных нанотрубок демонстрируют более равномерное подавление паразитного сигнала в широкой полосе частот. Это свойство особенно ценно для создания поляризаторов нового поколения. Как подчеркивают авторы, вопреки устоявшемуся стереотипу о вреде дефектов для проводимости, именно они являются перспективным способом сформировать реакционноспособные центры для дальнейшей функционализации материала и точной подстройки плазмонного отклика в востребованном диапазоне.

Погоня за прочностью: почему инженеры сделали ставку на европий 🇷🇺 Учёные ВИАМ установили, что микродобавки редкоземельного металла европия (Eu) кардинально изменяют микроструктуру литейных алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов), одновременно повышая их пластичность и прочность. Исследование опубликовано в журнале «Труды ВИАМ». 🔬 В нелегированном состоянии силумины содержат крупные, игольчатые кристаллы кремния, которые придают материалу жёсткость, но делают его хрупким. Добавка сотых долей процента Eu модифицирует морфологию эвтектического и первичного кремния: атомы европия блокируют активные центры роста кристаллов, вызывая их вынужденное двойникование и разветвление. В результате формируется мелкозернистая структура с компактными, округлыми кристаллами кремния, а не длинными иглами. 🔎 Наиболее выраженный эффект наблюдается в заэвтектических силуминах (содержание Si >12,6%). Добавка 0,8% Eu увеличила пластичность сплава на 166%, превратив хрупкий материал в деформируемый. При этом в сплаве А356 (≈7% Si) введение всего 0,1% Eu в сочетании с термообработкой подняло предел прочности до 265 МПа - уровня конструкционной стали, при сохранении трёхкратного выигрыша в плотности. 🧪 Ограничения метода связаны с высокой стоимостью европия и его чувствительностью к примесям: фосфор способен нейтрализовать модифицирующее действие Eu. Оптимальное содержание для сплава с 16% Si составило 0,8% Eu. Разработка открывает путь к созданию высокопрочных и пластичных алюминиевых сплавов для автомобильных поршней, корпусов насосов, авиационных и космических конструкций, где требуется сочетание лёгкости и выносливости, конкурирующее со сталью.

Фрактальный анализ поверхности металлов позволяет прогнозировать их разрушение на сверхранних стадиях 🇷🇺 Учёные Тольяттинского государственного университета разработали метод прогнозирования разрушения металлических материалов, основанный на анализе корреляции между фрактальными характеристиками поверхности и объёма деформируемого образца. Исследование, поддержанное РНФ, опубликовано визвестном Philosophical Magazine. 🔬 Процесс пластической деформации сопровождается эволюцией дефектов кристаллического строения - в объёме формируются дислокационные конфигурации, на поверхности возникают полосы скольжения. И те и другие структуры обладают самоподобием (фрактальностью). Авторы выдвинули и экспериментально подтвердили гипотезу о существовании интервалов деформации, в которых объёмные и поверхностные фрактальные характеристики коррелируют друг с другом. 🔎 Эксперименты на меди и никеле показали, что ключевым индикатором предразрушения служит момент разрыва этой корреляции. Пока материал деформируется упруго и пластически устойчиво, фрактальная сложность поверхности и объёмная дислокационная структура изменяются согласованно. При приближении к критической стадии (локализации деформации и зарождению макротрещины) синхронность нарушается. Фиксация этого разрыва с помощью метода Хигучи (алгоритма, применяемого также в анализе ЭЭГ, прогнозировании землетрясений и оценке финансовой волатильности) позволяет рассчитать «точку невозврата» задолго до появления видимых дефектов. Практически это означает, что мониторинг поверхности металла и параметров акустической эмиссии может заменить дорогостоящее сканирование внутренней структуры. Разработка открывает путь к созданию интеллектуальных систем сверхранней диагностики для авиации, атомной энергетики, мостостроения и других отраслей, где критически важно предсказывать остаточный ресурс оборудования до зарождения трещин.