На стыке биологии, медицины и нанотехнологий: разработки ученых ИТМО успешно работают в космосе и на Земле

Бережно и сверхточно

Обработка поверхностей магнитоуправляемыми реологическими жидкостями, или, как говорят в народе, полирование или суперполирование поверхностей — одно из направлений работы лаборатории высокоточной обработки поверхности института. Сфера деятельности, в которой она нужна, — от изготовления астрономических зеркал до лазерных элементов медицинской техники, рассказывает завлабораторией кандидат технических наук Андрей Худолей:

— Уникальность нашей технологии дает возможность получения высочайшей точности формы — до 5—10 нанометров. Чтобы вы понимали, привычные нам механические методы обработки эффективны до 1000 нанометров. Альтернативных способов обработки, которые гарантировали бы наш результат, не так-то много. А требования к точности формы критических компонентов сегодня высочайшие. Наша же технология помимо высокого качества гарантирует скорость и бережность.

Само полирование, напоминает ученый, известно с незапамятных времен, когда люди полировали бронзу для получения зеркал, обрабатывали ювелирные изделия и многое другое. Сегодня это всевозможные линзы, зеркала, а также подложки для микроэлектроники.

— Если мы хотим получить качественное покрытие на поверхности, — уточняет Андрей Худолей, — она должна быть хорошо подготовлена. Особенно это важно в микроэлектронике при накладывании топологических слоев, к каждому из которых предъявляются очень высокие требования. В противном случае на выходе можно получить брак. Не менее важна обработка в зеркальной оптике и при изготовлении лазерных элементов.

Андрей ХУДОЛЕЙ.

Институт по давней традиции плотно сотрудничает с госкорпорациями «Росатом» и «Роскосмос». К слову, уточняет собеседник, в целом научная организация некогда и создавалась под задачи таких организаций. Она выполняла расчеты градирен, которые сегодня стали символом тепловых и атомных электростанций.

— Сегодня у института есть оборудование, которое позволяет моделировать процессы приземления космических кораблей на разных планетах. Соответственно, материалы теплозащиты этих космических объектов проходят проверку на прочность и другие показатели. А тепловые трубы, разрабатываемые институтом, позволяют оборудованию кораблей работать бесперебойно. Наша лаборатория, в частности, обрабатывала специальные зеркала из керамики, которые могут долго эксплуатироваться в космосе. Многие из наших новых разработок в области твердотельных гироскопов и кварцевых резонаторов помогают в космической навигации и успешно работают на орбите, — рассказывает Андрей Худолей.

Вне конкуренции

За последние десять лет благодаря выполненному комплексу работ с заказчиками из Российской Федерации и КНР и успешной маркетинговой стратегии институт фактически стал мировым поставщиком высокотехнологического оборудования и критических технологий для высокоточной обработки на экспорт, говорит заведующий лабораторией:

— Разработки института содержат ноу-хау и защищены патентами Беларуси и России, а также Евразийским патентом. Это станки с ЧПУ для магнитореологической обработки, с основанием из природного камня с использованием точных приводов; координатные модули для доукомплектования станков и координатных систем; магнитореологические полировальные жидкости на водной и безводной основе.

Основные потребители оборудования — научно-практические объединения. Это структуры, которые изначально были заточены под производство небольших серий наукоемкой продукции.

— Им проще произвести новинку, нежели предприятию-гиганту, — отмечает Андрей Худолей. — То есть если мы под заказ создаем оборудование или элемент, они делают то же зеркало целиком и интегрируют его в сложную конструкцию типа космического корабля. Наша задача не так сложна, но не менее ответственна. Ведь, образно говоря, каждый винтик отвечает за целостность и качество конструкции.

Уникальность технологии дает возможность получения высочайшей точности формы — до 5–10 нанометров. В процессе работы — сотрудник лаборатории высокоточной обработки поверхности ИТМО Павел КУМЕЙША.

К слову, процесс от начала разработки до создания оборудования — процедура не быстрая, ведь речь идет фактически о штучном товаре. Девять месяцев — это минимум. Дальше — оформление необходимой документации, ее согласование. Кстати, говорит ученый, зачастую в лабораторию приходит заказчик, которому либо не хватило собственных компетенций, либо он по времени не успевает справиться с той или иной задачей:

— Наш профессионализм позволяет, глядя на обозначенную проблему, по аналогии с врачом, понимать: наш «пациент». И если беремся, обязательно делаем. Мы занимаемся либо проверкой перспективных решений, либо непосредственно созданием самих разработок под заказ. Речь идет или об обновлении уже имеющейся, или о создании принципиально новой техники, что, как правило, связано со сменой технологического уклада. Например, если мы говорим о гироскопах — приборах, определяющих положение объекта в пространстве, то изначально они были механическими, потом лазерными, а сейчас — твердотельные.

Собеседник подчеркивает, что конкурентов в магнитореологическом полировании у института практически нет, поскольку сам метод изначально разрабатывался в ИТМО:

— Институту принадлежит мировой приоритет. Метод также развивается в Америке и Китае. Но США продают технологию только странам НАТО, Китай не поставляет ее за пределы страны. Так что фактически мы остаемся монополистами в части экспорта для стран БРИКС. Чтобы войти в клуб разработчиков технологии, нужен большой штат высококвалифицированных специалистов — от химиков, оптиков до программистов. Благодаря тому что наш институт многодисциплинарный, научное направление состоялось.

Метабудущее

Разработка на стыке биологии, медицины и нанотехнологий? То, что это возможно, доказало отделение теплообмена и механики микро- и наноразмерных систем ГНУ «Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси». Именно здесь в рамках выполнения задания отраслевой научно-технической программы «Наноматериалы, наноструктуры и нанотехнологии» был создан микроскоп многофункциональный сканирующий зондовый, которому под силу одновременно измерять как оптические, так и механические свойства объекта. Новинка, рассказывает заместитель заведующего отделением Сергей Филатов, перспективна для развития биомедицинских технологий, в том числе фармакологических, нанотехнологий, а также для полупроводниковой промышленности. Разработка успешно работает в целом ряде научных институтов, в числе которых РНПЦ по животноводству НАН Беларуси, Институт прикладной физики НАН Беларуси и др.

— Ожидается, что применение комплекса повысит эффективность разработок в области клеточных биотехнологий, фармакологии (при разработке и тестировании фармакологических препаратов нового поколения целевой доставки) и исследованиях механизмов развития различных заболеваний на клеточном уровне, — отмечает Сергей Филатов.

Сергей ФИЛАТОВ.

Еще одно перспективное направление, над которым работает отделение теплообмена и механики микро- и наноразмерных систем, — метаматериалы. Это материалы, не существующие в природе, которые можно получить искусственно, поясняет ученый:

— Но чтобы получить то, что мы хотим, метаматериал нужно спроектировать. Это делает его схожим с другой областью наших исследований — аддитивными технологиями и 3D-печатью. К слову, эта технология существовала в нашей стране уже в 1990-х. Но проблема была в отсутствии ПК, слишком длительном процессе проектирования и отсутствии возможности хранить большой объем информации. Поэтому технологию на время отложили на полку. Сегодня за ней будущее. Будь то пищевая, автомобильная, строительная, другая промышленность.

По словам Сергея Филатова, связь между метаматериалами и 3D-технологиями особенно высока еще и потому, что сегодня остро стоит вопрос материалов для 3D-печати. В стране есть ряд институтов, занимающихся разработкой новых материалов, в частности полимеров. Но промышленности нужны более прочные материалы.

— Если и говорить о полимерах, то о высокотемпературных. Но ими у нас в стране до сих пор особенно не занимались. Тем не менее санкции нас к этому вопросу подвели. Я бы сказал, сегодня существует большой потенциал для создания в Беларуси метаматериалов, которые могут быть использованы в перспективных разработках тех же теплообменных систем микроэлектронной техники, систем регистрации и обработки оптических сигналов, СВЧ и терагерцового излучения. Сейчас многие известные бренды заявили, что будут создавать метаоптику, и отдельные примеры тому уже есть. Наша задача — не только не отставать, но и быть впереди, — рассказывает ученый.

День космонавтики: совместные достижения Беларуси и России в космической сфере

Начиная с 1960-х годов Беларусь активно участвовала в космических программах. Белорусские ученые и инженеры создавали новейшие оптические приборы, наземные системы управления запуском ракет, программы по обработке космических изображений. Впоследствии это помогло стране, сохранившей советские наработки в сфере освоения космоса и продолжившей их развитие в содружестве с Россией, войти в клуб космических держав.

Наши страны прорабатывают ряд совместных программ космических исследований, рассчитанных до 2027 года. Одна из них — «Комплекс-СГ» — предусматривает разработку элементов орбитальных и наземных средств для создания многоспутниковых группировок малоразмерных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и околоземного космического пространства. На нее выделено 2 млрд российских рублей.

Беларусью и Россией запланирован полет в космос первой белорусской женщины-космонавта. Шесть кандидаток проходят подготовку в подмосковном Центре подготовки космонавтов. Белорусскому космонавту предстоит выполнить на орбите программу научных исследований в области физиологии и биотехнологий, а также испытать ряд аппаратов белорусского производства.

arteaga@sb.by