Современные материалы, как правило, разрабатываются с расчётом на выполнение сразу нескольких задач. От них ожидают сочетания разных свойств: малой плотности, способности сопротивляться нагрузкам, управляемой деградации, а иногда и «умного» — заранее заданного — отклика на внешние воздействия. Всё это невозможно без работы на нанометровом уровне — там, где решающую роль играет структура, а не только химический состав.
Мы поговорили об этом с кандидатом физико-математических наук Алексеем Салимоном, заведующим кафедрой физической химии НИТУ МИСИС.
— За последние годы материаловедение сильно изменилось. В чём главное отличие современного подхода от того, что было раньше?
— Традиционно в материаловедении основное внимание уделялось химическому составу. Подбор компонентов, их соотношения и степени чистоты долгое время считался главным инструментом управления свойствами. Сегодня ключевым становится управление структурой на разных масштабных уровнях.
Даже без изменения химического состава можно существенно изменить свойства, если целенаправленно формировать специфические нано- и микроструктуры: например, размер и форму включений, характер границ фаз, распределение наполнителей, ориентацию волокон. Фактически материал начинают проектировать под конкретные условия работы.
— Почему именно наноструктурированные композиты считаются материалами нового поколения?
— На наноуровне во многом формируются механизмы длительной прочности, износостойкости и упругости. Именно здесь определяются процессы зарождения дефектов, распространения трещин и релаксации напряжений.
Композиты позволяют сочетать высокую прочность с малой плотностью, что принципиально важно для многих отраслей. Кроме того, появляется возможность задавать дополнительные функциональные свойства — электрические, магнитные, радиопоглощающие. Такие материалы можно адаптировать под конкретные условия эксплуатации, заранее закладывая в них необходимое поведение в ответ на нагрузку, температуру или внешние поля.
— Где подобные материалы уже реально применяются?
— В авиационной и космической технике их активно используют благодаря снижению веса при сохранении прочностных характеристик. В энергетике — например, при производстве лопастей ветрогенераторов и элементов, работающих при высоких температурах и нагрузках.
В судостроении важную роль играет сочетание коррозионной стойкости и малой массы. В строительстве композиты применяются при создании долговечных и устойчивых конструкций. В медицине — при изготовлении эндопротезов, имплантатов и экзоскелетов, где одновременно важны прочность и биосовместимость.
Могу привести примеры из НИТУ МИСИС, так как наш университет является лучшим материаловедческим вузом России. Например, для биомедицины созданы «самоупрочнённые» композиты из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, где и волокна, и матрица имеют одну природу, что обеспечивает рекордное сочетание прочности, ударной вязкости и биосовместимости. Наши учёные разработали проводящие полимерные композиты, которые могут заменить металлы в энергетике и электронике, сочетая высокую тепло- и электропроводность с малой массой и технологичностью.
Для энергетики и высокотемпературных применений предложены износостойкие композиты на основе высокоэнтропийных сплавов, упрочнённых наночастицами оксида алюминия, с многократным ростом износостойкости и снижением окисления.
— Какие специалисты сегодня наиболее востребованы в области композитных материалов?
— В первую очередь те, кто умеет работать с реальными материалами, а не только с теориями. Это специалисты, понимающие, как структура влияет на свойства, и способные одновременно участвовать в фундаментальных исследованиях и прикладных проектах.
— Возможна ли такая подготовка в университетской среде?
— Да, если обучение тесно связано с научной работой. В этом случае студенты вовлекаются в проекты уже на этапе обучения — иногда с первого курса. Инфраструктура исследовательского университета позволяет работать с современными методами и оборудованием, что принципиально важно для формирования практических навыков и понимания реальных задач материаловедения.
— Если говорить о подготовке кадров, какие образовательные форматы сегодня наиболее эффективны?
— Обучение должно строиться вокруг реальных исследовательских задач — с возможностью индивидуальной образовательной траектории и работы в лабораториях.
Такой подход, в частности, реализуется в магистерских программах по технологиям наноструктурированных композиционных материалов в НИТУ МИСИС — как части общей научной экосистемы университета, ориентированной на современное материаловедение.
— С какими вызовами сегодня сталкиваются разработчики новых материалов?
— Основная сложность заключается в том, чтобы точно спрогнозировать поведение материала на протяжении всего срока службы. Важно заранее понимать, как именно композит будет разрушаться или деградировать в реальных условиях эксплуатации.
В связи с этим возрастает роль ускоренных методов тестирования, которые позволяют за относительно короткое время получить информацию о процессах, растянутых в реальности на годы и десятилетия. Без таких подходов внедрение новых материалов становится слишком долгим и рискованным.
Моделирование сегодня стало не вспомогательным, а обязательным инструментом. Активно используется анализ цифровых изображений микроструктуры, а математические модели позволяют прогнозировать свойства ещё до создания самих материалов.
Эксперимент и цифровые расчёты работают как единая система. Например, в лаборатории ускоренных частиц НИТУ МИСИС исследование наноструктуры осуществляется с помощью синхротронного излучения методом малоуглового рассеяния. Расшифровка полученных спектров в принципе невозможна без построения цифровой модели наноструктуры материала. Всему этому мы учим на программе специализированного высшего образования «Технология наноструктурированных композиционных материалов», реализуемой в рамках пилотного проекта по переходу на новую модель высшего образования.
