Научно-исследовательская лаборатория «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях» была создана в 2021 году. Руководитель лаборатории – Корзникова Елена Александровна, доктор физико-математических наук. 

Работы в лаборатории ведутся по нескольким направлениям, а именно: атомистическое моделирование, разработка и исследование перспективных проводниковых материалов на основе алюминия для использования в передовых транспортных системах, создание биоактивных имплантов для ортопедии с использованием аддитивных технологий и исследование структуры и свойств группы двумерных тернарных нитридов цинка Zn2(V, Nb, Ta)N3 в условиях окружающей среды. Ниже представлены результаты по каждому из направлений, а также результаты, полученные на стыке направлений в результате взаимодействия участников лаборатории с разным профилем.

1.   Атомистическое моделирование

Ведется  работа по апробированию межатомных потенциалов для моделирования экстремальных воздействий на решетки ОЦК и ГЦК металлов. Известно, что большинство существующих потенциалов реалистично отображают взаимодействия атомов лишь в очень небольшом интервале их отклонений от положения равновесия. При этом все больше развивается в настоящий момент тенденция использования экстремальных воздействий как инструмента создания требуемых структур и свойств материалов. При этом отклонения атомов от положения их минимальной энергии может достигать нескольких процентов. Очень небольшой ряд потенциалов может при этом описывать то, что происходит со структурой. В наших работах на примере реализации делокализованных нелинейных мод в кристаллических решетках проводится тест потенциалов на взаимное соответствие и реалистичность, которая будет проверена методами теории функционала плотности. В результате будет произведена верификация существующих потенциалов, что впоследствии позволит повысить эффективность атомистического моделирования как метода предиктивного анализа структур в далеких от равновесия условиях.

Также решается ряд отдельных задач, направленных на понимание отдельных аспектов трансформации дефектной структуры, которые впоследствии должны выстроиться в общую систему закономерностей эволюции структур в процессе экстремальных воздействий . К настоящему моменту создана компьютерная модель кристалла с дефектами, в котором имитируется электропластическая деформация. Исследования в данном направлении позволят пролить свет на ранее необъясненный эффект снижения напряжения течения материала при воздействии импульсного тока (данный эффект превышает расчетный эффект джоулева тепла). По данному направлению проводятся экспериментальные исследования, а также проводится моделирование аналогичных экспериментов с помощью метода молекулярной динамики.

Рассматривается динамика одномерного движения точечных дефектов – краудионов. Исследования в данном направлении актуальны в ключе понимания пороговых значений внешних воздействий, при которых может включаться данный диффузионный механизм.

Также ведутся работы по анализу взаимодействия радиационных дефектов с дислокациями в вольфраме в процессе деформации. Данное исследование является важным в свете того, что вольфрам, как и другие ОЦК металлы, в процессе экстремальных радиационных воздействий накапливает значительное количество пор и дисперсных фаз, и понимание механизмов их взаимодействия с дислокациями является необходимым для определения параметров, при которых материал демонстрирует стабильный интервал свойств и прогнозируемое поведение.

2. Разработка и исследование перспективных проводниковых материалов на основе алюминия для использования в передовых транспортных системах

Алюминиевые сплавы системы Al-Fe марок 8176 и 8030, благодаря невысокой цене, сочетанию малого веса, хорошей электропроводности и пластичности, нашли применение как в РФ, так и за рубежом. Ограничивает использование сплавов этой системы их невысокая прочность после традиционной упрочняющей обработки, которую, как правило, осуществляют холодным волочением. Наиболее широко сплавы 8176 и 8030 применяются в качестве проводниковых материалов бытовых электросетей жилых и производственных помещений, постепенно вытесняя проводниковые материалы на основе меди. Замена медных проводников позволяет снизить стоимость и улучшить весовые характеристики электросетей, повышая их энергетическую, экологическую и экономическую эффективность. Обычно для нивелирования этого недостатка используется легирование. Однако, увеличение содержания легирующих элементов или добавление новых, зачастую негативным образом сказывается на уровне их электропроводности. Это связано искажением кристаллической решетки алюминия, что приводит к рассеянию электронов проводимости и снижению электропроводности материала. В этой связи, создание проводникового алюминиевого сплава, демонстрирующих высокую электропроводность наряду с прочностью, является актуальной задачей современного материаловедения. Недавно проведенные исследования в данной области позволили установить, что на свойства алюминиевых сплавов, влияет не только способ их обработки, но и способ получения исходных полуфабрикатов. Метод непрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК), за счет высокой скорости кристаллизации (более 1000 К/с), позволяет получать в сплавах системы Al-Fe особенности структуры (фазовый состав, морфология интерметаллидных частиц), недостижимые традиционными методами. Данные особенности обеспечивают уровень прочности, электропроводности и термостойкости, ранее не наблюдаемые в сплавах этой системы. На микроструктуру и свойства изделий из сплавов Al-Fe также влияет метод деформационной обработки. Использование таких методов обработки, как холодное волочение (ХВ) или равноканальное угловое прессование методом Конформ (РКУП-К) с последующим ХВ, сплавов Al-0.5Fe, Al-0.5Fe-0.3Cu и Al-1.7Fe (вес.%), характеристик, сопоставимых или превышающих аналогичные в известных проводниковых термостойких сплавах системы Al-Zr, а также термически упрочняемых сплавах системы Al-Mg-Si. Продолжение проекта предполагается направить на разработку и исследование проводниковых сплавов системы Al-Fe c высокой прочностью и электропроводностью. В качестве материалов исследования планируется использовать три сплава - аналог сплава 8176 с содержанием Fe до 0.5 вес.%, аналог сплава 8030, дополнительно легированный Cu, а также сплав с содержанием Fe 1.7 вес.%. Главной задачей данного исследования будет аттестация эксплуатационных и технологических свойств исследуемых материалов. Для материалов, используемых в промышленности, важными показателями являются величина температурных удлинений, стабильность механических свойств при пониженных температурах, высокая устойчивость к воздействию окружающей среды, а также технологическая пластичность, обеспечивающая изготовление кабельной продукции. Данное исследование будет отличаться безусловной новизной, т.к. исследователи, работающие в этом направлении, зачастую приводят лишь значения твердости и электропроводности сплавов, не уделяя внимания их эксплуатационным характеристикам. Результаты предложенных работ будут опубликованы одними из первых в научном мире. Основываясь на анализе результатов, проведенных в исследовании, можно будет сделать вывод о возможности использования системы Al-Fe в качестве альтернативы термостойким сплавов систем Al-Zr и термически упрочняемых сплавов системы Al-Mg-Si не только с точки зрения физико-механических, но и с точки зрения эксплуатационных и технологических характеристик. Это позволит выработать рекомендации к промышленному производству и использованию разработанных в проекте сплавов.

3. Биоактивные имплантаты из титановых сплавов, спроектированные методами аддитивных технологий, для использования в онкоортопедии

Разработка инновационных решений для здравоохранения, улучшения качества жизни и персонализированной медицины является одним из наиболее актуальных направлений развития современных исследований на стыке наук. Предлагаемый проект нацелен на решение одной из проблем этого направления, связанной с разработкой передовых скаффолдов для целевой доставки лекарственных препаратов и для возмещения крупных сегментарных дефектов костей опорно-двигательного аппарата в онкоортопедии. Целью проекта является разработка с привлечением компьютерного моделирования и аддитивных технологий пористых титановых материалов для получения биоактивных имплантатов, насыщенных клеточными или лекарственными препаратами, перспективных для терапии пациентов со злокачественными новообразованиями костной ткани. Методами аддитивных и деформационных технологий будут получены пористые, насыщенные in vitro противоопухолевым агентом или мультипотентными стромальными клетками (МСК) экспериментальные изделия из титановых сплавов Ti-6Al-4V и Ti-15 Mo с уникальной биосовместимостью и высоким уровнем биомеханических свойств. Идеи использования 3D-печати для получения персонализированных изделий для медицинских применений в настоящее время бурно обсуждаются в ведущих научных изданиях и находятся на пике интереса материаловедов и биотехнологов. Новизна предложенного проекта заключается в создании целенаправленно спроектированных пор в имплантате, которые будут использованы для заполнения локально воздействующими биоактивными компонентами, а также клетками для ускоренной пост-операционной регенерации тканей. Для успешного выполнения проекта необходимо решить ряд задач, имеющих ярко выраженный мультидисциплинарный характер и требующих применения (i) физических и материаловедческих подходов к микроструктурному и фазовому дизайну исследуемых материалов для целенаправленного улучшения их физико-механических свойств; (ii) инженерных и технологических подходов для проектирования изделий заданной геометрии и конфигурации на основе разработки трёхмерных компьютерных моделей и использования аддитивных технологий, а также для деформационной обработки материалов с целью повышения биомеханических свойств; (iii) биотехнологических и медицинских подходов для насыщения прототипов имплантатов биоактивными веществами и стромальными клетками и испытания их клинической эффективности. Только сочетание подходов из разных отраслей наук даст синергетический эффект и позволит решить поставленные задачи проекта, главными из которых являются:

1) Разработка подходов для 3D-печати пористых образцов заданной конфигурации из биосовместимых титановых сплавов с заданными параметрами пористости и уровнем биомеханических свойств (методические вопросы разработки компьютерных моделей для 3D печати с заданным размером и конфигурацией пор, а также геометрией самого образца; определение параметров печати и их влияние на структуру и свойства получаемого материала, получение экспериментальных образцов заданной формы).

2) Модификация полученных пористых материалов с разной микроструктурой биоактивными компонентами. Получение пилотных образцов имплантатов/скаффолдов на основе пористых биосовместимых титановых сплавов, заселенных МСК или насыщенных противоопухолевым агентом (химио-/иммунопрепарат), оценка их биосовместимости и биоактивности in vitro и in vivo.

3) Разработка методов получения и in vitro исследование свойств экспериментальных образцов имплантатов из беспористых бета-титановых сплавов с регламентированным структурно-фазовым составом и улучшенными биомеханическими свойствами, поверхность которых модифицирована биоактивным слоем - заселена клетками или насыщена терапевтическими препаратами.

4) Создание прототипов новых биоимплантатов на основе разработанных материалов и их имплантация крупным экспериментальным животным в сформированный костный дефект с последующей оценкой перспективности применения разработанных изделий в онкоортеопедии.

4. Исследование структуры и свойств группы двумерных тернарных нитридов цинка Zn2(V, Nb, Ta)N3 в условиях окружающей среды

Двумерным материалам, таким, как графен (монослой графита), посвящено множество научных исследований, а в 2010 году за открытие графена была вручена Нобелевская премия по физике. С одной стороны, различные свойства и потенциал применения двумерных материалов в различных нанотехнологиях достаточно широко изучены. Например, установлено, что графен является одним из самых прочных материалов. Дисульфид молибдена, в свою очередь, имеет широкую щель в электронном спектре, что делает его перспективным материалом для использования в наноэлектронике. С другой стороны, выявлен ряд ограничений для широкомасштабного применения некоторых двумерных материалов. Отличительной особенностью двумерных материалов является их высокая химическая активность (стоит отметить, что для некоторых приложений она же является их достоинством), ввиду которой они легко подвергаются негативному воздействию окружающей среды при их производстве и применении. Кроме того, число новых двумерных материалов, доступных для экспериментального и теоретического исследования, постоянно растет. Очевидно, что каждый вновь открытый материал имеет свои особенности, ввиду чего стоит задача их исследования и оценки перспектив их использования в реальных условиях. Известно, что объемные нитриды широко используются в ряде электронных приложений, например транзисторах и твердотельноых приборах освещения, благодаря уникальному сочетанию структурных и опто-электрических свойства. Для оптоэлектронных применений объемные тернарные нитриды переходных и постпереходных металлов особенно перспективны из-за их регулируемой ширины запрещенной зоны и электропроводности. В отличии от своих объемных аналогов, двумерные тернарные нитриды, такие как Zn2(V, Nb, Ta)N3, остаются малоизученным классом материалов. Ввиду вышеизложенного, одной из первоочередных задач является систематизация знаний о структуре, свойствах и возможностях применения двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 в различных условиях, в том числе под воздействием окружающей среды. Неоценимый вклад в решение данных задач помогут внести высокоточные методы компьютерного моделирования, эффективность и достоверность которых не вызывают сомнения, при этом они требуют значительно меньших временных затрат, по сравнению с экспериментальными исследованиями, и позволяют значительно удешевить и ускорить процесс исследования. В настоящем проекте первопринципные расчеты на основе теории функционала плотности, будут использоваться для изучения структуры, свойств, химической активности и химической стабильности двумерных тернарных нитридов цинка Zn2(V, Nb, Ta)N3, применение которых позволит повысить характеристики современных солнечных элементов и опто-электронных приборов. Кроме того, будет изучено влияние различных негативных факторов, таких как точечные дефекты, возникающих при производстве и эксплуатации двумерных материалов и воздействие окружающей среды, на эксплуатационные характеристики двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. В рамках поставленных задач будет сделан вывод о химической активности с молекулами и газами окружающей среды, влияния на нее структурных дефектов, а так же изучены процессы окисления и химической деградации двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 в условиях их эксплуатации. Данные, полученные по результатом проекта, позволят определить эффективный способ применения группы двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 в условиях эксплуатации, что в свою очередь, внесет значительный вклад в возможность экспериментальной реализации высокоэффективных и долговечных материалов для наноустройств различного назначения, таких как солнечные элементы нового поколения.

Исследования, проведенные в рамках лаборатории, опубликованы в статьях различного уровня, в том числе квартиля Q1 Scopus и WoS.