КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-73-30004

НазваниеЛазерные стратегии в инновационном материаловедении: от авиации и теплоэнергетики до медицины и машиностроения

РуководительБойнович Людмила Борисовна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2026 г. 

Конкурс№81 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые словаИмпульсное лазерное излучение, лазерная обработка материалов, лазерная абляция, супергидрофобность, супергидрофильность, противообледенительные свойства, противокоррозионные свойства, наночастицы, теплонагруженные устройства, растекание, композитные материалы, антибактериальные нанопокрытия, борьба с бактериальными биопленками

Код ГРНТИ31.15.35

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Для решения ряда задач промышленности лазерные технологии, которые относятся к критически важным направлениям для развития экономики страны, находятся вне конкуренции, поскольку позволяют получить технические и экономические результаты, недостижимые другими техническими средствами. В данном междисциплинарном проекте на базе одной лаборатории будут объединены усилия ведущих российских научных групп, работающих в области лазерной обработки материалов и имеющих оригинальные прорывные лазерные стратегии. Хотя усилия каждой из групп будут направлены на решение различных научных задач материаловедения, объединение разрабатываемых стратегий позволит достичь синергетической эффективности предлагаемых принципиально новых технологий и приведет к решению следующих актуальных задач: - Разработать супергидрофобные покрытия с противообледенительными свойствами для ряда металлических и композитных конструкционных материалов, в том числе для поверхностей летательных аппаратов. Предложить методы лазерной химической модификации состава поверхности, обеспечивающие придание дополнительных функциональных свойств создаваемым покрытиям, включая долговременную стойкость к коррозии и обрастанию. Актуальность этой группы задач определяется большими экономическими и человеческими потерями, связанными с атмосферным обледенением, в том числе с катастрофами в авиации, вызываемыми обледенением летательных аппаратов. Создание пассивных, не требующих постоянного человеческого участия, покрытий, позволит снизить остроту проблемы атмосферного обледенения для материалов и конструкций, контактирующих с атмосферными осадками в процессе эксплуатации. - Создать поверхности теплообмена с многомодальной морфологией и уникальными функциональными свойствами, которые за счет управляемого смачивания, растекания и особенностей фазовых переходов малых объемов жидкостей, позволяют отводить тепловые потоки высокой плотности от энергонасыщенного оборудования. Актуальность этой задачи обусловлена сдерживанием бурного развития современных передовых цифровых и интеллектуальных технологий, связанным с отсутствием эффективных, надежных и автономных систем обеспечения регламентированного температурного режима оборудования. Новизна предлагаемого подхода заключается в использовании особенностей смачивания и многомодальной морфологии поверхностей нагрева/теплообмена для управления тепловыми потоками и особенностями фазовых переходов. - Предложить лазерные методы генерации наночастиц с бактерицидными свойствами в виде устойчивых суспензий и в составе покрытий. Исследовать эффективность применения бактерицидных поверхностей на основе покрытий с наночастицами для предотвращения распространения бактериальных и вирусных инфекций Актуальность этой части исследований связана с поиском эффективных методов борьбы с бактериальными инфекциями, улучшением соблюдения правил антисептики и асептики, а также исследованием возможности применения материалов с экстремальным смачиванием для создания антибактериальных и противовирусных средств защиты. Новизна предлагаемого подхода заключается в исследовании влияния составов и размеров наночастиц и характера смачивания создаваемых покрытий на противомикробные эффекты. Кроме того, важным новым аспектом предлагаемых исследований будет разработка эффективных подходов для преодоления глобальной медицинской проблемы, связанной с распространением антибиотикорезистентных патогенов и неэффективностью существующих антибактериальных препаратов.

Ожидаемые результаты
При выполнении работ по проекту предполагается получить следующие результаты. В блоке работ по разработке супергидрофобных покрытий с противообледенительными свойствами для ряда металлических и композитных конструкционных материалов будут подобраны режимы лазерного текстурирования и лазерного химического модифицирования поверхностей авиационных сплавов, красочных покрытий на металлах, а также поверхностей стекло- и углепластиков, позволяющие получить поверхности с многомодальной шероховатостью, водоотталкивающими свойствами и повышенной механической и химической стойкостью. Будет детально исследовано поведение разработанных покрытий при контакте с твердыми и жидкими водными средами, а также с переохлажденным водным аэрозолем при одновременном воздействии разрушающих покрытия атмосферных факторов, таких, как озон, УФ облучение, шоковые тепловые нагрузки, абразивный износ пылевыми частицами и кристаллами льда в высокоскоростном воздушном потоке. Будет разработан набор лабораторных испытаний для корректной оценки противообледенительных свойств разработанных покрытий, их долговечности и стойкости к разрушающим нагрузкам. Для теоретического анализа и обоснования механизмов противообледенительного действия созданных покрытий будут изучены особенности строения, фазовый и химический состав поверхностной текстуры, размеры элементов текстуры и их электрохимические свойства. Будет изучено влияние на противообледенительные свойства покрытий импрегнирования в поверхностную текстуру покрытия жидких антифризов или антиадгезивов. Научная значимость этого блока исследований связана с выявлением механизмов, определяющих противообледенительные свойства покрытий, разработанных для различных материалов. Кроме того, высокую научную значимость будут иметь принципы выбора режимов и параметров лазерной обработки, позволяющие получить полифункциональные свойства, требуемые для практических применений этих покрытий. Общественная значимость этой группы результатов связана с экономическим эффектом, сопровождающим снижение финансовых и трудозатрат на борьбу с обледенением. Кроме того, снижение образования и накопления льда на поверхностях конструкционных элементов и аппаратуры летательной техники повысит безопасность полетов и улучшит летные характеристики. Наконец, обеспечение противообледенительных и водоотталкивающих свойств поверхностей летательных аппаратов позволит кардинально изменить длительность, управляемость и условия полета беспилотной летательной техники. В блоке работ по созданию новых типов поверхностей теплообмена планируется создать покрытия с многомодальной морфологией и уникальными функциональными свойствами, дизайн которых (расположение и форма элементов текстуры) обеспечит требуемый характер растекания малых объемов жидкостей, высокую стойкость к накоплению накипи, интенсификацию теплоотвода и нуклеации, увеличение коэффициента теплоотдачи и величины критического теплового потока, сдвиг развития кризисных явлений в область более высоких температур, капельный либо пленочный режимы конденсации, в зависимости от рассматриваемой задачи. Будут установлены основные закономерности процесса растекания малых объемов жидкости по поверхностям теплообмена с текстурой, созданной лазерными методами с последующим пиролизом углеводородосодержащих жидкостей, и изучены статические и динамические свойства жидкостей на модифицированных поверхностях. Результаты исследований создадут предпосылки для формирования нового направления развития энергоэффективных систем охлаждения, использующих высокий потенциал фазовых переходов и способных отводить тепловые потоки высокой плотности. Научная значимость этой части работы связана с развитием теории тепловой защиты теплонапряженного оборудования с применением эффективных систем охлаждения, использующих высокий энергетический потенциал фазового перехода. Результаты работы найдут широкое применение в разработке новых систем охлаждения энергонасыщенного оборудования, например, на базе двухфазных термосифонов. Полученные при выполнении проекта результаты создадут предпосылки к созданию новых систем охлаждения устройств передовых цифровых, интеллектуальных технологий, например систем связи пятого поколения 5G, электрокаров и устройств искусственного интеллекта. Еще один блок работ будет посвящен разработке лазерных методов получения бактерицидных поверхностей для предотвращения распространения бактериальных и вирусных инфекций. Здесь будут разработаны режимы и условия лазерной абляции, приводящие к формированию наночастиц требуемого состава и размеров, как в виде устойчивых суспензий, так и закрепленных на поверхностях с иерархической шероховатостью. Полученные наносуспензии и покрытия будут испытаны в лабораторных исследованиях с патогенными штаммами, в первую очередь, патогенами из списка ВОЗ как критически приоритетными для разработки новых средств борьбы, а именно, карбапенемрезистентными Pseudomonas aeruginosa, Acinetobacter baumanii, Klebsiella pneumoniae, являющимися основными возбудителями внутрибольничных инфекций. Испытания будут проведены также в клинических условиях. В результате лабораторных исследований будут выбраны материалы для получения наночастиц и покрытий, проявляющие наибольшую эффективность в отношении исследованных патогенных штаммов. Кроме того, клинические испытания с применением поверхностей касания (дверные ручки, переключатели, смывные кнопки), которые планируется провести в условиях стационара, в отделениях интенсивной терапии городской клинической больницы №24 Департамента здравоохранения города Москвы, позволят оценить эффективность создаваемых наночастиц и покрытий для борьбы с нозокомиальными инфекциями. Научная значимость результатов, полученных в этом блоке исследований, связана с выявлением механизмов взаимодействия наночастиц и наноструктурированных покрытий с бактериальными клетками и поиском оптимальных составов и морфологии создаваемых покрытий, приводящих к подавлению распространения патогенных инфекций в условиях стационара. Применение разработанных материалов в стационарах России, которое позволит снизить остроту передачи бактериальных инфекций в лечебных учреждениях, определяет общественную значимость этого направления работ и направлено на решение одной из наиболее актуальных проблем современной медицины – глобального распространения антибиотикорезистентности. Высокая практическая и общественная значимость ожидаемых результатов исследований по всем сформулированным выше направлениям работ подтверждается заинтересованностью в сотрудничестве в рамках данного проекта со стороны ряда крупнейших компаний, таких как ПАО «Корпорация Иркут», АО «Территориальная генерирующая компания № 11», Самусьский судостроительно-судоремонтный завод и учреждений здравоохранения, таких как Научно-исследовательский институт детства Министерства здравоохранения Московской области, ГКБ № 24 и № 52 г. Москвы. Соответствие предполагаемых результатов по всем направлениям данного проекта мировому уровню исследований подтверждается тем, что результаты, полученные при создании задела по этому проекту, были опубликованы в высокорейтинговых зарубежных журналах, вызвали большой интерес мирового научного сообщества и получили широкое цитирование.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Впервые показана ключевая роль хемосорбционноактивных центров на поверхности текстурированных материалов при создании химически стойких супергидрофобных покрытий. Подобраны режимы наносекундной лазерной обработки алюминиевого сплава Д16, позволяющие получать химически и механически стойкие супергидрофобные покрытия. Разработан метод, позволяющий определять дзета-потенциал нанотекстурированных поверхностей. Полученные данные по дзета-потенциалам супергидрофобных поверхностей позволили обосновать один из важнейших противокоррозионных механизмов таких поверхностей. Разработан трехстадийный процесс создания коррозионностойких покрытий на магнии, основанный на нанесении методом газодинамического напыления слоя алюминия на поверхность защищаемого изделия из магния, обработку наносекундным лазером и хемосорбцию гидрофобного агента. Показано, что по техническим показателям достигаемая противокоррозионная защита с использованием разработанной технологии, на сегодняшний день, является одной из лучших среди представленных в литературе и на рынке. Для ряда алюминиевых сплавов, меди марки М1 и стали 20X23Н18 с применением наносекундной лазерной обработки созданы материалы для поверхностей теплообмена систем охлаждения теплонагруженного оборудования. Экспериментально установлены корреляционные зависимости характеристик текстуры, образующейся на поверхностях исследуемых материалов от параметров лазерного излучения. Экспериментально показано, что использование поверхностей алюминиевого сплава и стали с указанными текстурами позволяет интенсифицировать процессы испарения малых объемов теплоносителя, а также управлять скоростью движения конвективных потоков и расположением вихрей в испаряющихся каплях. Комбинация лазерной обработки поверхностей металлов и термолиза углеводородных жидкостей позволила разработать новый метод супергидрофобизации поверхностей теплообмена. Установлено, что для достижения супергидрофобного состояния поверхности при термолизе углеводородной жидкости необходимо обеспечить условие термодеструкции всей жидкости, распыленной на поверхность металла, при этом температура гидрофобизуемой поверхности не должна превышать 270°. Установлены закономерности процесса растекания капли по лазерно-текстурированным поверхностям в условиях ее соударения с поверхностью. Проведен анализ сил, действующих на каплю воды, в процессе её растекания. Для численного моделирования процесса соударения капель воды с гидрофобной и супергидрофобной поверхностями разработана математическая модель в двумерной осесимметричной постановке и выполнены расчеты характеристик растекания при соударении капель воды в диапазоне чисел Вебера от 10 до 200. Получено удовлетворительное качественное и количественное согласие (отличия не более 3–5%) результатов экспериментальных исследований и численного моделирования. С применением высокоскоростной видеорегистрации проведены экспериментальные исследования характеристик прогрева и испарения капли воды на модифицированных лазером поверхностях металлов, характеризующихся гидрофобными и гидрофильными свойствами. Разработана двумерная осесимметричная модель сопряженного тепломассопереноса, описывающая прогрев и испарение капли жидкости на гидрофобных и гидрофильных поверхностях металла. Показано, что в лабораторных условиях бактерицидная эффективность разработанных напыленных гладких, супергидрофильных и супергидрофобных медных покрытий по отношению к штаммам S. aureus и P. aeruginosa оказывается близкой к 100%. Супергидрофобные медные поверхности обладают меньшей бактерицидной эффективностью, но благодаря эффекту несмачиваемости и низкой адгезии клеток к такой поверхности, дольше остаются неконтаминированными и тем самым также способствуют снижению передачи инфекций через изготовленные из них поверхности касания. Полученные в лабораторных экспериментах результаты позволяют сделать вывод о перспективности применения медных супергидрофильных поверхностей при изготовлении поверхностей касания для медицинских учреждений, где крайне высок риск распространения и заражения внутрибольничными патогенами. С применением лазерных методов получены бактерицидные поверхности для предотвращения распространения бактериальных и вирусных инфекций. Созданы 4 типа поверхностей касания, сгруппированные по функциональному принципу, для использования в больничных учреждениях, включающие клавиши пластиковых выключателей, ручки входных дверей, кнопки лифтов и вентиляционные решетки. Созданные бактерицидные поверхности прошли клинические испытания в течение 5 месяцев на базе ГКБ 24, г. Москва. Полученные на кнопках лифтов результаты указывают на то, что кнопки с напыленным медным, супергидрофобным и гидрофильным покрытиями обладают бактерицидным действием, которое наиболее выражено у напыленных покрытий. На ручках дверей наиболее выражен бактерицидный эффект на напыленном медном и супергидрофобном покрытии. Для клавиш выключателей была выявлена высокая антибактериальная активность напыленных медных покрытий, а для вентиляционных решеток наилучшие результаты были показаны супергидрофильными и напыленными медными поверхностями. В целом, полученные на сегодняшний день результаты клинических испытаний указывают на то, что применение медных напыленных покрытий позволит существенно подавить распространение нозокомиальных инфекций в лечебных учреждениях.

 

Публикации

1. Антонов Д.В., Исламова А.Г., Орлова Е.Г. Heat and Mass Transfer Processes and Evaporation of a Liquid Droplet on a Structured Surface Energies, Vol. 16, Issue 22, Article No. 7505. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/en16227505

2. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Recent progress in understanding the anti-icing behavior of materials Advances in Colloid and Interface Science, vol. 323, Article no. 103057 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.cis.2023.103057

3. Бутранова О.И., Зырянов С.К., Горбачева А.А., Пуцман Г.А. Анализ структуры и показателей антибиотикорезистентности возбудителей инфекций у пациентов в отделениях интенсивной терапии многопрофильного стационара Качественная клиническая практика, 2023, №4, С. 4-14. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.37489/2588-0519-2023-4-4-14

4. Глушков Д.О., Паушкина К.К., Плешко А.О., Зыков И.Ю., Орлова Е.Г., Феоктистов Д.В. Prospects for the Use of Metal Surfaces Modified by Nanosecond Laser Radiation for Energy Applications Energies, Vol. 16(24), Article no. 7979 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/en16247979

5. Емельяненко А.М., Бойнович Л.Б. Роль диспергированных частиц в физико-химическом поведении нанофлюидов Коллоидный журнал, Т. 85, № 6, С. 727-737. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0023291223601018

6. Емельяненко К.А., Феоктистова Л.С., Лунев И.В., Галиуллин А.А., Малышкина И.А., Красовский В.Г. Исследование устойчивости пленок некоторых силиконовых лубрикантов в составе “скользких покрытий” Коллоидный журнал, том 85, № 3, с. 277–286 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0023291223600335

7. Омран Ф.Ш., Каминский В.В., Емельяненко К.А., Емельяненко А.М., Бойнович Л.Б. Влияние биологической загрязненности медных поверхностей с экстремальным смачиванием на их антибактериальные свойства Коллоидный журнал, том 85, № 5, с. 641–654 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0023291223600499

8. Антонов Д.В., Исламова А.Г., Стрижак П.А. Hydrophilic and Hydrophobic Surfaces: Features of Interaction with Liquid Drops Materials, v. 16, №17, Article No. 5932. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ma16175932