Лаборатории НИТУ «МИСиС»: от разделения наночастиц магнетита до создания квантового компьютера
Рады сообщить вам о том, что в рамках Открытого международного конкурса на получение грантов для поддержки научных исследований, НИТУ «МИСиС» занимается организацией новых лабораторий и поддержкой научных исследований в области новых научных направлений, проводимых под руководством ведущих ученых.
Ведущие ученые выигрывают гранты, целью которых является создание лабораторий и проведение научных исследований. Каждая лаборатория имеет свою уникальность: от метода разделения наночастиц магнетита до создания квантового компьютера. Некоторые лаборатории НИТУ «МИСиС» скрыты от прессы по разным причинам, таким как отсутствие должной презентабельности, недоступность в виду госзаказа, узкая специализация. Тем не менее, все лаборатории НИТУ «МИСиС» занимаются приоритетными направлениями во всех областях научных исследований.
Мы постараемся представить вашему вниманию полную информацию практически обо всех новых лабораториях, которые были созданы международными ведущими учеными, выдающимися экспертами в своих областях. Мы подробно расскажем о жизни лаборатории, о том, какие задачи ставит научный коллектив, как проходит процесс исследования с запечатлением каждого этапа эксперимента или даже, возможно, как происходит научное открытие.
Мы выбрали несколько лабораторий по разным направлениям, о которых хотим рассказать. Мы решили провести опрос на тему, какой из лабораторий уделить наибольшее внимание, с описанием каждой стадии, от мозгового штурма до проведения эксперимента с пошаговым фоторядом каждого этапа и экспертными комментариями ведущих ученых и сотрудников лаборатории. Многие из лабораторий узкоспециализированы, поэтому не для каждого читателя будет понятна специфика работы научного коллектива. Мы предвидели этот фактор и поэтому сделаем общий обзор лаборатории в рамках научно-популярного формата. Возможно, среди читателей Geektimes будут представители каждой из специализации, которые хотели бы узнать все о работе лаборатории: какие эксперименты проводят, какой метод используют, узнать все об оборудовании лаборатории или даже, при наличии заинтересованности у обеих сторон, провести совместный эксперимент, ведь среди читателей могут быть представители разных профессий: физики, химики, инженеры и т.д. Несомненно, для целевой аудитории важно знать, как происходит весь этап работы, и для создания эффекта присутствия, мы постараемся сделать каждый фоторепортаж настолько полным, насколько это возможно, с запечатлением каждой стадии и с комментариями экспертов, инженеров и лаборантов.
Обо всех предложениях, пожеланиях, замечаниях, пожалуйста, пишите в комментариях, а также присылайте на почту, мы обязательно все учтем!
Несколько лабораторий, о которых мы хотели бы рассказать в первую очередь:
Лаборатория «Моделирование и разработка новых материалов»
Научное руководство лабораторией осуществляет профессор Игорь Анатольевич Абрикосов, выпускник МИСиС, более 20 лет работающий в Швеции. Работа лаборатории финансируется «мегагрантом», учрежденным правительством России и выигранным проф. Абрикосовым совместно с НИТУ «МИСиС».
Основная цель коллектива лаборатории — разработка вычислительных инструментов нового поколения на наиболее фундаментальном уровне квантовой физики, обладающих предсказательной силой, достаточной для научно-обоснованного дизайна материалов. С помощью наиболее современных методов компьютерного моделирования коллектив лаборатории будет изучить физические явления с большим стратегическим потенциалом для современных технологий и технологий будущего. Также будет организована экспериментальная проверка теоретических предсказаний.
Вычислительный кластер (ВК) НИТУ «МИСИС» «Cherry» предназначен для решения сложных научно-технических задач.
Пиковая производительность: 33 Tflops
Производительность на тесте Linpack на 100 вычислительных узлах: 28 Tflops
Программные и аппаратные средства ВК Cherry позволяют решать одну задачу с использованием всего вычислительного ресурса, а также разделять решающее поле на части требуемого размера и предоставлять их нескольким пользователям.Лаборатория «Биомедицинские наноматериалы»
Группа учёных НИТУ «МИСиС» под руководством доктора химических наук Александра Мажуги приступает к разработке уникальных в России и мире тераностических материалов (обр. от «терапия» и «диагностика») на основе наночастиц магнетита для высокоэффективных адресных контрастных и лекарственных препаратов, направленных на борьбу с онкологией.
Магнитная жидкость на основе наночастиц магнетита в магнитном поле притягивается к неодимовому магниту. Для наночастиц магнетита характерны ферримагнитные свойства, т.е. у них есть собственный магнитный момент, обуславливающий их реакцию на магнитное поле.
Низамов Тимур,
Инженер
Перемешивание среды, состоящей из гексана, воды и этанола на магнитной мешалке. Видна верхняя фаза гексана и нижняя фаза воды с этанолом. Гексан не смешивается с водой и его плотность меньше плотности воды, поэтому он находится сверху.
Низамов Тимур,
Инженер
Лаборатория «Разделение и концентрирование в химической диагностике функциональных материалов и объектов окружающей среды»
Лаборатория работает над возможностью детально изучать неизвестные до сегодняшнего дня свойства частиц, используя уникальные методы их аналитического разделения, и создавать на их основе материалы с улучшенными характеристиками.
Наночастицы существуют в окружающей среде испокон веков в составе пыли, почвы, пепла и т.д. Несмотря на это их свойства, подвижность, а также токсичность до сих пор мало изучены. Основной причиной этого является трудность их выделения из сложных полидисперсных образцов окружающей среды, а используемые в настоящее время методы разделения частиц не позволяют выделять весовые количества фракций наночастиц для их последующего изучения и анализа.
Руководителем лаборатории РКХД ФМиООС НИТУ «МИСиС» Федотовым П.С. был предложен оригинальный метод проточного фракционирования частиц во вращающихся спиральных колонках, традиционно используемых в противоточной хроматографии, обладающий уникальными возможностями разделения полидисперсных образцов окружающей среды и выделения весовых количеств фракций нано-, субмикро- и микрочастиц.
Фракционирование частиц во вращающейся спиральной колонке происходит в длинном капилляре в непрерывном потоке жидкости-носителя под действием сложного асимметричного поля центробежных сил, формирующимся при планетарном вращении колонки.
Фракционирование и анализ частиц уличной пыли чрезвычайно важно для изучения связывания токсичных элементов с различными гранулометрическими фракциями пыли, оценки их подвижности в окружающей среде, а также потенциальной опасности для здоровья человека.
Михаил Ермолин,
Научный сотрудник
Фракции нано-, субмикро- и микрочастиц уличной, выделенные в виде суспензий, осаждаются на мембранные фильтры в фильтрационной ячейке, после чего высушиваются до достижения постоянной массы и разлагаются в смеси кислот в автоклаве.
Михаил Ермолин,
Научный сотрудник
Полученные растворы после разложения в автоклаве анализируются методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой.
Михаил Ермолин,
Научный сотрудник
Лаборатория «Физические методы акустооптическая и лазерная аппаратура для задач диагностики и терапии онкологических заболеваний»
На базе новой лаборатории университета под руководством доктора физико-математических наук, член-корреспондента РАН Ефима Хазанова из Института прикладной физики РАН разрабатывают способы диагностики и терапии онкологических заболеваний с помощью лазерных технологий и работают над созданием компонентной базы для лазерно-плазменного ускорителя протонов, одним из приложений которого является терапия рака.
Сочетание в одной оптической схеме двух физических различных методов обработки изображений: гиперспектрального анализа и пространственной фильтрации является основным преимуществом разработанной в НИТУ «МИСиС» системы для исследования гистологических срезов опухолевых тканей. Эта аппаратура открывает новые возможности визуализации внутриклеточных структур и разработки новых диагностических критериев в онкологии. В перспективе система позволит реализовать дополнительные режимы визуализации объекта и интегрировать новые модули, такие как лазерный осветитель для гиперспектрального анализа флуоресценции тканей и фемтосекундная система возбуждения многофотонной флуоресценции.
Константин Юшков,
Ведущий научный сотрудник
Система построена на базе инвертированного микроскопа Nikon Ti-E с набором объективов от 4x до 100х
Константин Юшков,
Ведущий научный сотрудник
Лазерный осветитель препарата состоит из свободного окончания оптоволокна и линзы с фокусным расстоянием 100 мм. После линзы формируется практически плоский фронт световой волны, что позволяет исследовать фазовую структуру объектов
Константин Юшков,
Ведущий научный сотрудник
Научно-исследовательский центр «Конструкционные керамические наноматериалы»
Руководитель Мукасьян Александр Сергеевич
Основное направление научных исследований центра — это использование явления «твердого пламени» для синтеза керамических и металлических нанопорошков, изучение фундаментальных основ их спекания и консолидации, с целью получения новых материалов на их основе.
Представлены 2 установки НИЦ. На дальнем плане установка горячего прессования. Основными преимуществами горячего спекания являются высокая плотность изделий, значительное снижение давлений прессования и сокращение продолжительности спекания. Вторая установка — установка искрового плазменного спекания (ИПС).
Преимущества:
Равномерное распределение тепла по образцу, Не требуются предварительная обработка давлением, Равномерное спекание однородных и разнородных материалов, Короткое время рабочего цикла, Удаление имеющихся примесей, Изготовление детали сразу в окончательной форме и получение профиля, близкого к заданному, Минимальный рост зерна, Минимальное влияние на микроструктуру. Процесс спекания может проводиться как в полностью запрограммированном режиме, так и в ручном режиме (на фото). Оператор с помощью регуляторов и кнопок на сенсорной панели управления контролирует весь процесс спекания. Также на сенсорной панели и на мониторе компьютера отображаются все параметры процесса, по которым можно судить о той или иной стадии процесса и регулировать параметры.
Кусков Кирилл,
Инженер
Метод ИПС использует импульсы постоянного электрического тока, проходящего через графитовую матрицу в которой находится образец. Процесс состоит по существу из совместного воздействия температуры, осевого давления и электрического тока в присутствии электромагнитного поля. Через смотровые окна в корпусе установки можно следить за графитовой матрицей и пуансонами в которых находится спекаемый материал, также через эти окна можно на поверхность матрицы сфокусировать пирометр для определения температуры. На фотографии представлен снимок смотрового окна для пирометра, через который видно разогретую матрицу внутренним диаметром 12,7 мм до температуры приблизительно 700 градусов Цельсия
Кусков Кирилл,
Инженер
На выходе получается материал форма и размеры которого зависят от геометрии матрицы и количества исходного порошка. На фотографии представлена таблетка диаметром 12,7 мм покрытая слоем графитовой бумаги, которая помещается в матрицу перед спеканием для более легкого извлечения спеченного материала из графитовой матрицы.
Кусков Кирилл,
Инженер
Научно-исследовательская лаборатория «Гибридные наноструктурные материалы»
Лаборатория «Гибридные наноструктурные материалы» создана в 2013 году в результате победы НИТУ «МИСиС» в конкурсе мегагрантов Правительства РФ под руководством одного из известнейших специалистов в области физического материаловедения проф. Ю.З. Эстрина. Основной целью работы лаборатории является разработка нового класса материалов, композитов особого типа, обладающих свойствами, не достижимыми при использовании их отдельных составляющих. При этом архитектуру гибрида, определяемую формой и расположением «элементарных кирпичиков», из которых он составлен, можно рассматривать как дополнительную степень свободы, использование которой в разработке новых материалов может привести к радикально новым свойствам. Объединение такой стратегии, навеянной геометрическими соображениями, с правильным выбором материалов открывает возможности для создания уникальных композитов. Этот принцип лежит в основе нового подхода к разработке высокотехнологичных материалов с огромным потенциалом для инноваций. В частности, он позволяет получать многофункциональные материалы, сочетающие высокую механическую прочность с улучшенной теплоизолирующей способностью, повышенным коэффициентом поглощения звука и другими полезными свойствами.
В научно-исследовательской лаборатории «Гибридные наноструктурные материалы» действует уникальная установка интенсивной пластической деформации, где установлен совмещенный блок кручения плоских металлических заготовок в условиях повышенных гидростатических давлений и равноканального углового прессования цилиндрических заготовок. По своим возможностям — нагрузкам, рабочим температурам и степеням деформации — оборудование позволяет работать с широким кругом металлов различного назначения, от медицинских применений в костных имплантатах до материалов для автомобилестроения и энергетики (сплавы магния, титана, меди, алюминия, циркония, ванадия, а также нержавеющие стали и т.п.). Установка предназначена для формирования ультрамелкозернистой структуры, и именно управление микроструктурой вплоть до наноразмерного диапазона позволяет получать уникальные свойства, не достижимые для данных материалов путем стандартных термических и термомеханических обработок.
Александр Комиссаров,
Научный сотрудник
Лаборатория «Сверхпроводящие метаматериалы»
Основное направление работы лаборатории — экспериментальные исследования электромагнитных свойств сверхпроводящих метаматериалов в диапазоне сверхвысоких частот с использованием одномерных и двумерных структур.
Ученым из ведущих вузов и научных центров впервые в России удалось создать первый в России сверхпроводящий кубит — основной элемент будущих квантовых компьютеров, которые смогут превзойти самые мощные современные суперкомпьютеры. Над его созданием работала группа исследователей под руководством Олега Астафьева (МФТИ), Алексея Устинова (НИТУ «МИСиС», Российский квантовый центр) и Валерия Рязанова (Институт физики твердого тела РАН).
Алексей Устинов, руководитель лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», профессор Технологического института Карлсруэ так прокомментировал это уникальное для российской науки событие:
«Сейчас можно с уверенностью говорить, что в России накопилась критическая масса — научные центры, оборудование, технологии, ученые и разработки — которая позволит на мировом уровне конкурировать с ведущими научными центрами, в том числе и в создании квантовых компьютеров. И НИТУ «МИСиС», несомненно, является значимой частью этой научной среды: в России существуют пока всего четыре лаборатории, вместе с нашей, способные проводить эксперименты с кубитами, и еще у нас одна из лучших научных команд».
«Квантовый компьютер сможет позволить расшифровывать любые сообщения, зашифрованные современными криптографическими алгоритмами. Его построение приведет к огромным изменениям в системах информационной безопасности. Кроме того, создание квантового компьютера позволит использовать принципиально новые информационно-технологические системы, работающие с информацией в квантовом режиме. Квантовые вычислительные устройства позволят решать широкий набор задач, таких как синтез материалов с желаемыми свойствами, сложные задачи сортировки, оптимизации и распознавания образов, а также моделирования собственно квантовых систем. Большинство таких задач принципиально не могут быть решены на обычных классических компьютерах»
Образец в держателе (медная пластина с закрепленной на ней печатной платой). Образец — 6 потоковых кубитов, связанных с резонаторами. Образец расположен на столике оптического микроскопа.
Иван Такмаков,
Инженер
Образец в держателе на столике бондера (устройства для ультразвуковой пайки). Бондер используется для соединения печатной платы держателя с образцом посредством тонких (диаметром 20 мкм) проводов.
Иван Такмаков,
Инженер
Рефрижератор растворения замкнутого цикла. Рабочая температура рефрижератора 20 мК.
Иван Такмаков,
Инженер
Если в списке нет той лаборатории, о которой вы хотели бы узнать подробно, не расстраивайтесь. Оставьте комментарий с названием лаборатории или рода деятельности лаборатории, которые вас интересуют, и мы обязательно предложим варианты.
Нам важно сделать качественный сюжетный репортаж, чтобы он был информативен для всех читателей, поэтому мы открыты для всех предложений. Так как сам процесс подготовки фото- и текстового материала уже идет, мы могли бы его формировать в соответствии с предпочтениями аудитории.
Сейчас наш сайт не пользуется особой популярностью, но в скором времени мы все исправим: изменим дизайн, добавим разделы, экспертные мнения и комментарии, интерактивность, чтобы все заинтересованные читатели, специалисты, инженеры, молодые ученые могли вести дискуссию в рамках своего направления. Все экспертные комментарии, которые будут появляться к тому или иному направлению, мы будем привязывать к фоторепортажу и публиковать здесь, также в скором времени у нас появится раздел на сайте, где можно будет следить за ними в оперативном режиме. Мы завели аккаунты в социальных сетях для оповещения пользователей о публикации новых материалов, репортажей, экспертных комментариев. Если будет удобней следить там, подписывайтесь на наши аккаунты. Обещаем делать только целевые записи без новостей об университете, приемной комиссии, учебе и т.п. и, конечно, все самые полные записи всегда будут здесь geektimes.ru
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
