Первые в мире: топ важнейших разработок Томского госуниверситета XXIв

ТОМСК, 27 авг – РИА Томск. Совершить революцию в какой-либо области науки в ХХI веке сложно – кажется, все уже придумали. И тем ценнее становятся изобретения и открытия, рядом с которыми можно полноправно употреблять слово "впервые". РИА Томск представляет подборку важнейших современных идей ученых Томского госуниверситета (ТГУ), которые стали новым словом в физике, материаловедении, микробиологии, истории, климатологии.

Плащ-невидимка

Метаматериал по новой технологии, примененной впервые в мире, создал радиофизик ТГУ Александр Горст под руководством профессора Владимира Якубова и инженера Александра Мироньчева.

Метаматериал – это многокомпонентный искусственный материал с отрицательным показателем преломления, он состоит из пластичной основы и жесткого наполнителя. Ученые ТГУ предложили производить его на основе замкнутых кольцевых проводников, определенным образом погруженных в фоновую диэлектрическую среду. Это позволило расширить полосу рабочих частот до 1,2 ГГц (вдвое больше, чем у существовавших образцов).

Эти свойства пригодятся, например, для создания неотражающих покрытий. Покрытый метаматериалом объект не отражает часть сигнала от радиолокационной вышки, и оператор не сможет точно определить форму предмета, его размер. Буквально плащ-невидимка! С другой стороны, метаматериал позволяет создавать фокусированное изображение высокого качества, что может использоваться, например, в радиотомографии.

"Скользкая" керамика

Сотрудники лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ получили первые образцы порошковых смесей для синтеза "скользкой" керамики – керамического покрытия на основе нанопорошков, обладающего высокой твердостью и в то же время очень низким коэффициентом трения.

За основу покрытия ученые взяли соединения бора, алюминия и магния, обладающие аномально низким коэффициентом трения – около 0,02 (для сравнения: у тефлонового покрытия – 0,04). При этом материал обладает высокой твердостью – свыше 32 гигапаскалей, что немногим меньше твердости алмаза. Исследователи уверены: состав будет востребован в области машино- и авиастроения: детали, работающие в экстремальных условиях, станут меньше изнашиваться.

Или, например, за счет уменьшения трения "скользкая" керамика способна снизить уровень шума любого насоса. Холодильники, кондиционеры и другое оборудование станут не только бесшумными, но и энергоэффективными: потребление энергии может снизиться в несколько раз, и одновременно вырастет износостойкость частей насосов.

Новые бактерии

Две новых бактерии открыли микробиологи ТГУ, исследуя воду глубоких артезианских скважин. Их назвали Ozemobacteria и Sumerlabacteria в честь славянских божеств Озема и Сумерлы, охраняющих под землей золотые, серебряные и медные руды. Раньше эти микроорганизмы были известны только по их геномам.

Тут надо пояснить: о новых микроорганизмах исследователи обычно узнают благодаря новым технологиям. Отбирают пробы воздуха, почвы, воды, выделяют из них ДНК микроорганизмов и складывают из этих ДНК полный геном. Они знают их свойства, но при этом не представляют, как они выглядят. Однако если ученый хочет работать с этими бактериями, необходимо держать их в руках, поскольку далеко не все свойства можно предсказать.

Теперь микробиологи ТГУ изучают свойства Ozemobacteria и Sumerlabacteria и учатся культивировать их в условиях лаборатории. Эти знания могут стать основой для разработки новых биотехнологий. Также ведется поиск новых бактерий на границе Забайкалья и Китая, на Алтае, в Кузбассе, на севере Томской области. В частности, ученые ищут микроорганизмы, которые помогут осаждать из воды тяжелые металлы или очищать среды от нефти.

Синтез наночастиц

Ученые СФТИ ТГУ оптимизировали технологию синтеза уникальных наночастиц методом импульсной лазерной абляции в жидкости, что дает возможность получать сотни литров коллоидных растворов наночастиц или десятки граммов различных нанопорошков в месяц. Такой производительности пока не удавалось достичь никому в мире.

Метод заключается в том, что мишень помещается в жидкость и облучается сфокусированными лазерными импульсами. В результате происходит быстрый разогрев и взрывное испарение материала мишени с поверхности в виде ионизованной плазмы. Этот процесс называется лазерной абляцией. При остывании плазмы в жидкости формируются наночастицы в виде коллоидного раствора.

Опытные образцы наночастиц уже используются для исследований в области физики, химии, биологии, медицины. В частности, с помощью наночастиц благородных и тяжелых металлов, которые производятся в лаборатории новых материалов и перспективных технологий ТГУ, биологи моделируют их распространение из почвы и воды по пищевым цепям различных организмов. Это позволяет разрабатывать биотехнологии очистки окружающей среды.

Новый материал с памятью формы

Ученые лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ разработали новый высокопрочный материал с эффектом памяти формы. В мире есть более 20 тысяч соединений с памятью формы, самый широко известный – никелид титана. Но ни у кого, кроме томичей, пока не получилось сделать сплав на основе железа, который бы тянулся на 15-20% и при снятии нагрузки восстанавливал свою первоначальную форму.

Физики ТГУ создали монокристаллы сплавов из четырех основных элементов – железо-никель-кобальт-алюминий, пятым элементом может быть титан, ниобий или тантал.

Материал не просто высокопрочный – он обладает большей, чем у никелида титана, обратимостью, то есть способностью восстанавливаться после деформации. За счет этого датчики и исполнительные элементы из сплавов на основе железа будут работать эффективнее, как и механизмы, которые они приводят в движение.

Тайна пирамиды Хеопса

В 2017 году международная команда ученых Scan Pyramids при анализе данных мюонной томографии египетских пирамид обнаружила в пирамиде Хеопса ранее неизвестное помещение. Один из разработчиков использованной для этого программы Geant4 – научный сотрудник лаборатории экспериментальной физики высоких энергий ТГУ Евгений Черняев. Международный коллектив с его участием разрабатывает Geant4 более 20 лет.

Сегодня Geant4 является наиболее востребованной программой моделирования прохождения космических частиц (мюонов) через вещество. Мюоны легко пронизывают каменные блоки и поэтому подходят для мюонной томографии массивных объектов, таких, как пирамиды. Если в них имеется пустота, то в ее направлении будет наблюдаться существенное увеличение потока мюонов. Именно так ученые и нашли скрытую комнату над большой галереей, ведущей в Камеру фараона.

Это первое с XIX века крупное открытие в пирамиде Хеопса.

Сеть по изучению климата

Климатологи ТГУ предложили совершенно новый подход к ландшафтно-экологическим исследованиям, запустив в 2016 году на базе центра исследований ТГУ "Транссибирский научный путь" сеть Siberian environmental change network (SecNet) – Сибирскую сеть по изучению изменений окружающей среды. Были определены два мегапрофиля, меридиональный и широтный, вдоль которых проводится мониторинг в различных параметрах.

Всесезонный отбор проб на станциях, входящих в SecNet, организуется в рамках единой методологии, по единым научным протоколам. У каждого коллектива своя специфика: одни изучают биоразнообразие, другие проводят биогеохимические исследования, третьи – ландшафтные, экологические. Все данные аккумулируются и анализируются, что позволяет фиксировать изменения климата, наблюдать их динамику, характер.

Мировая научная общественность идею оценила: такую же сеть захотели сделать канадцы и американцы. В начале 2018 года произошло объединение SecNet с канадским мегапрофилем, сделанным в соответствии с идеологией и наработками ученых ТГУ.