В вузе создают многофункциональные магнитные материалы и системы

12:14, 27 июня 2022

Высокотехнологичные решения и продукты будут использовать в медицине, энергетике, космосе

Владимир Васьковский — почетный работник высшего профессионального образования РФ. Фото: пресс-служба УрФУ.

Совершенствование производства постоянных магнитов, в том числе 3D-печати, развитие технологий изготовления магнитных сенсоров и спинтроники, создание отечественного аналога эталона массы и мягких магнитных материалов с программируемым и управляемым магнитным откликом — таковы основные задачи фундаментальных и прикладных исследований, которые осуществляются в Уральском федеральном университете по направлению «Магнитные материалы и системы». Это направление — одна из составляющих масштабного проекта «Дизайн и технологии функциональных материалов и систем», который реализуется в соответствии с программой стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Сферы практического применения создаваемых магнитных материалов и систем — ветровая и электроэнергетика, пилотируемая космонавтика, медицина, компьютерные технологии нового поколения, метрология и многие другие.

В проекте, который возглавляет заведующий кафедрой магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Владимир Васьковский, участвуют еще три кафедры, несколько научных подразделений и порядка 50 научных сотрудников УрФУ. Таков современный состав университетской школы физики магнитных материалов, берущей свое начало в середине прошлого века.

Особенность таких стратегических проектов, как «Дизайн и технологии функциональных материалов и систем», в том, что они осуществляются в консорциумах с партнерами вуза. Партнерами УрФУ в направлении «Магнитные материалы и системы» являются Российская академия наук, в частности, Институт физики металлов УрО РАН, а также государственная корпорация «Росатом». Так, «Росатом» заинтересован в развитии технологий получения постоянных магнитов.

«Постоянные магниты применяются в высокоэффективных двигателях и генераторах, в том числе ветрогенераторах. Современный ветрогенератор — это полтонны постоянных магнитов. Чем качественнее магниты, тем компактнее и мощнее генераторы. Госкорпорация „Росатом“, которая, помимо атомной, развивает зеленую, в том числе ветровую, энергетику, ставит перед собой задачу увеличения отечественного производства магнитов с 50 до 1000 тонн в год», — объясняет заинтересованность корпорации в сотрудничестве с университетом Владимир Васьковский.

Еще одна исследовательская область приложения совместных усилий УрФУ и «Росатома» — 3D-печать постоянных магнитов. В отличие от массового производства магнитов, 3D-печать направлена на изготовление микроэлектромеханических систем — сложных устройств микронного размера, состоящих из механических элементов, датчиков, электроники, приводов.

«Это, к примеру, микродвигатели для сердечной мышцы, задающие сердечный ритм. Такие устройства изготавливаются путем формирования постоянных магнитов заданных конфигураций с помощью технологии лазерного спекания предварительно приготовленных магнитных порошков. При этом возможно изготовление постоянных магнитов с уже встроенными магнитопроводами из магнитомягких сплавов. УрФУ обладает необходимым для этого лазерным 3D-принтером», — продолжает Васьковский.

В результатах научно-технических разработок по направлению «Магнитные материалы и системы» заинтересована и другая госкорпорация — «Роскосмос», которая в лице екатеринбургского НПО автоматики является заказчиком исследований в области сенсорики. Уральский федеральный университет известен разработками магнитных сенсоров — чувствительных элементов, преобразующих воздействующее на них магнитное поле в электрический сигнал. Устройства с применением таких сенсоров незаменимы на пилотируемых космических кораблях, чья система жизнеобеспечения включает в себя огромное количество кабелей. Крохотные, размером с квадратный миллиметр, при этом устойчивые к условиям космического корабля и высокоточные, сенсоры, созданные в УрФУ под руководством Владимира Васьковского, являются элементами датчиков, которые будут непрерывно контролировать cилу тока в кабелях и тем самым — работоспособность всех систем космического корабля.

«Если раньше, чтобы подключить датчики к кабелю, приходилось проводить рискованную операцию по разрыву электрической цепи, то определение силы тока с помощью сенсоров происходит бесконтактно, фиксированием магнитного поля у поверхности кабеля. В земных условиях разработанные нами сенсоры можно использовать для измерения и постоянного контроля силы тока, протекающего по линиям электропередачи», — рассказывает Владимир Васьковский.

Другая сфера прорывных исследований и разработок ученых вуза — создание, совместно с коллегами из Уральского научно-исследовательского института метрологии — филиала ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева», отечественного варианта весов Киббла — высокоточной измерительной электромагнитной системы, которая должна стать национальным эталоном единицы массы — килограмма. По прогнозам, реализация проекта по созданию российских весов Киббла займет не менее пяти лет. Однако уже сегодня уральские ученые определили основные подходы, которые позволят создать весы Киббла с точностными характеристиками, не уступающими лучшим мировым образцам.

«Речь о решении основополагающей задачи снижения зависимости свойств элементов магнитной системы весов от силы электрического тока в ней. На следующем этапе будет улучшена однородность магнитного поля и усовершенствована измерительная система. В обоих случаях наши ученые уверенно движутся к решению стоящих задач», — комментирует Владимир Васьковский.

Следующая составляющая направления «Магнитные материалы и системы» — работы в области сред для спиновой электроники — спинтроники. «Классическая» электроника основана на том, что электрическое поле управляет движением электронов — отрицательно заряженных частиц и тем самым создает электрический ток, представляющий собой упорядоченное движение электронов. В то же время, кроме электрического заряда, электроны обладают магнитным моментом — спином. Поэтому на движение электронов можно влиять не только электрическим, но и магнитным полем. На этом принципе и построена спинтроника.

«Одной из проблем в спинтронике является то, что, сталкиваясь при движении с узлами кристаллической решетки, электроны непредсказуемо изменяют ориентацию спина и, пройдя расстояние не более чем в 10 нанометров, выходят из-под магнитного контроля. Таким образом, природа наложила размерное ограничение на элементы спинтроники, и это ставит серьезные физико-технологические задачи. С практической точки зрения их решение откроет дорогу к широкому применению пока еще экспериментальных устройств магниторезистивной оперативной памяти, MRAM. Эти революционные по своему значению устройства объединяют быстродействие оперативной памяти компьютеров и энергонезависимость жесткого диска», — поясняет Васьковский.

Наконец, еще одна группа ученых УрФУ исследует «индивидуальное» и «групповое» поведение магнитных наноразмерных частиц в составе жидкостей и гелей. Коллеги, в частности, установили: частицы откликаются не только на внешнее магнитное поле, но и друг на друга, поэтому их «коллективное» поведение не сводится к сумме «индивидуальных» реакций и представляет собой особый феномен. Кроме того, обнаружилось, что мелкие частицы подчиняются «коллективному» поведению крупных частиц.

«Эти открытия важны для разработки умных материалов, способных контролируемым образом менять свойства под воздействием постоянного или переменного магнитного поля. В перспективе такие материалы могут применяться в технологиях адресной доставки лекарств к определенным участкам организма, в лечении онкологических заболеваний методом гипертермии, когда с помощью магнитных частиц обеспечивается локальный нагрев участков органа, пораженных раковыми клетками. Такие материалы используются и для повышения контрастности рентгеновских и томографических снимков внутренних органов, при изготовлении жидкокристаллических экранов, фотоприемников, теплопроводников, герметиков, гидравлических амортизаторов», — описывает Васьковский.

В соответствии с федеральной программой «Приоритет-2030» к концу десятилетия исследования ученых УрФУ по направлению «Магнитные материалы и системы» увенчаются предметными решениями по созданию высокотехнологичных продуктов, их внедрению и практическому применению в ведущих отраслях российской экономики и в социальной сфере.