В рамках мероприятий, посвященных Десятилетию науки и технологий в России, общественно-политическая газета «Уфимские ведомости» опубликовала интервью с заведующим лабораторией многофункциональных материалов Уфимского университета науки и технологий Григорием Дьяконовым.

Представьте, что металлический имплант, вставленный на месте перелома кости, через некоторое время рассасывается в теле, кость срастается, а пациент избавляется от повторной операции по его извлечению, уменьшается время реабилитации.

Особенно это актуально для детской травматологии: кости у детей растут, и жесткая, не меняющая форму конструкция становится препятствием для роста. Создать новые упрочненные сплавы на основе магния, из которых будут делать подобные биорезорбируемые импланты – одна из целей проекта «Механизмы упрочнения и роль дисперсных частиц в неравновесных титановых и магниевых сплавах» ученых Уфимского университета науки и технологий, который был поддержан Российским научным фондом (РНФ). На реализацию этого проекта Фонд направит по 7 миллионов рублей в год в течение четырех лет. Работать над ним будут сотрудники лаборатории многофункциональных материалов, созданной в июне 2022 года в рамках программы «Приоритет 2030».

– Идеи этого проекта рождены нашей командой. Она развивалась в течение 10 последних лет, но основной ее костяк составляют относительно молодые специалисты (их средний возраст – 32 года), – рассказывает руководитель лаборатории, кандидат технических наук Григорий Дьяконов. – К работе будут также привлечены студенты университета, что даст возможность удержать, закрепить в науке молодые перспективные кадры.

– Одно из модных направлений в трансплантологии – микроимпланты, способные выдерживать очень высокие нагрузки. Что же позволит достичь подобной прочности?

– Начнем сначала. Перед вами один из главных инструментов нашей работы – сканирующий электронный микроскоп Tescan с разрешением в 1 нанометр (то есть он дает увеличение примерно в миллион раз). Мы видим поверхность – например, это титановый сплав, с использованием микроскопа мы можем различить зерна разного размера. Так выглядит поверхность любого металла. Это зерна кристаллической решетки, а на границах этих зерен могут выделяться специфические дисперсные частицы. Всей этой структурой – формой и размером зерен, количеством и расположением частиц – можно управлять, то есть осуществлять микроструктурный дизайн материала – в нашем случае титановых и магниевых сплавов. Используя этот подход, мы можем сделать их пластичнее и прочнее или более коррозионностойкими.

– Почему вы решили заняться именно титановыми сплавами?

– Как известно, из титана также делают импланты. Но еще более важно то, что это традиционное конструкторское решение для компрессоров авиационных двигателей (компрессор – одна из ключевых его деталей). Титановые сплавы легче железных и никелевых, что имеет критическое значение для авиации. И сегодня остро стоит задача повышения их прочности и срока службы. Например, в университете есть команда, которая занимается нанесением защитных покрытий, улучшающих износостойкие свойства лопаток компрессоров авиационных двигателей и газоперекачивающих установок. Срок их службы увеличивается на 30%.

Итак, мы берем сплав, воздействуем на него термическими и деформационными методами и таким образом формируем нужную нам микроструктуру, а значит, нужный комплекс свойств, потом проверяем это на опытных образцах. В данном проекте объектами исследований стали титановый сплав ВТ8М-1, β-титановый сплав Ti-15Mo и новые биорезорбируемые сплавы системы Mg-Zn-Ca, для которых характерно выделение дисперсных частиц при температуре и деформации, что дает нам широкие возможности в моделировании их структуры.

В результате выполнения гранта будут разработаны и предложены принципы получения новых материалов с регламентированной структурой и повышенными свойствами. Их использование позволит улучшить и/или разработать новые конструкции с высокими эксплуатационными характеристиками для авиационной промышленности и имплантологии. В частности, в одной из последних опубликованных работ в международном журнале Materials мы продемонстрировали принципы управляемой биодеградации и повышения коррозионной стойкости магниевых сплавов системы Mg-Zn-Ca за счет формирования многоуровневой структуры с дисперсными частицами. Эти результаты показали, что, изменяя объемную долю и размер этих частиц в магниевом сплаве, возможно уменьшать скорость коррозии, не ухудшая при этом прочностные характеристики материала.

– Скажите, а в чем для вас научный интерес этой работы? Хотя уже понятно, что моделировать свойства материала по своему вкусу – это очень интересно…

– Да, конечно. А еще очень часто – практически каждый день – перед нами встают нестандартные задачи. С одной стороны, это непросто, с другой – позволяет развиваться и развивать в себе гибкость. Так, например наш электронный микроскоп – очень мощное средство исследования, я называю его «материаловедческий скальпель». Он позволяет решать очень разные задачи, становится точкой притяжения для ученых из разных областей: материаловедов, биологов, химиков. Также к нам обращаются наши индустриальные партнеры (среди них – ПАО «ОДК-УМПО», ПАО «Газпром» и др.) и, к примеру, просят разобраться, почему раньше срока вышла из строя какая-либо деталь – например, лопатка компрессора авиационного двигателя или деталь газоперекачивающей установки. Приставка, которая есть на микроскопе, позволяет с высокой точностью проанализировать и даже прорисовать самые тонкие элементы ее структуры, а также ее химический состав и его распределение в объеме материала. И мы можем сказать, стало ли причиной поломки проникновение в устройство инородного тела, перегрев, неоднородность по химсоставу или плохой исходный материал.

 Получается, что мы вынуждены постоянно учиться и открывать для себя новые знания, новые сферы. Это непростой путь, но теперь – после нескольких лет работы – мы накопили немалый опыт и регулярно участвуем в рецензии статей, которые подаются в международные журналы.

Если вернуться к нашему проекту, то по его результатам запланировано опубликование не менее 12 научных статей: восемь – в высокорейтинговых зарубежных журналах и не менее четырех – в изданиях, индексируемых в Russian Science Citation Index, также запланированы защиты кандидатской и докторской диссертаций.
Для успешного решения задач мы будем приобретать из фонда проекта новые аналитические приборы (в дальнейшем их можно будет использовать и для образовательных целей). Также планируем создать здесь, на территории физико-технического института, новую технологическую площадку со станочным и экспериментальным оборудованием. Мы будем испытывать на ней свои образцы новых материалов, и все остальные подразделения института тоже смогут приходить и решать свои задачи.

– В проекте запланировано и сотрудничество со Сколковским институтом науки и технологий…

– Изучать микроструктуры сплавов и проводить эксперименты по их моделированию мы будем совместно с центром коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения» Сколковского института. Он оснащен ультрасовременными приборами, и это позволит нам в перспективе получить результаты мирового уровня. К тому же тесное взаимодействие с коллегами создаст дополнительные точки роста для развития новых междисциплинарных направлений и разработок между Уфимским университетом науки и Сколково.
Вместе с научными исследованиями природы и закономерностей металлов и сплавов наша команда также занимается популяризацией науки для школьников. Мы приглашаем их сюда, показываем возможности современного аналитического оборудования. Например, популярность у ребят завоевали снимки муравья, полученные на сканирующем микроскопе. На них детально, с максимальной точностью видны все особенности его тела – в таком разрешении усики становятся просто огромными, виден каждый волосок на большой заостренной голове… Именно такие снимки – наглядно отражающие природу и устройство, казалось бы, знакомых явлений с новой стороны – вызывают максимальный интерес. Я планирую создать еще несколько наглядных презентаций, чтобы объяснить школьникам и студентам, чем мы занимаемся, как это выглядит и как устроены металлы и различные сплавы.

Станьте соавтором УУНиТ! Присылайте свои новости в наш чат-бот в Telegram. Не забудьте прикрепить фото- или видео- материалы.