Президентская программа
исследовательских проектов

Чем сейчас занимаются молодые ученые в России?

23.09.2019 | Мел
Источник: пресс-служба РНФ

Все больше молодых ученых начинает интересоваться наукой и выбирает профессию исследователя делом жизни. Причем они работают не только в составе научных коллективов под руководством именитых, умудренных опытом ученых, но и сами выступают в роли руководителей небольших научных групп. Например, так работают победители молодежного конкурса Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда. 12 ученых из разных городов и научных организаций страны рассказывают, какими перспективными направлениями науки они занимаются, и что полезного их результаты принесут каждому из нас.

Все цвета радуги могут работать

Сегодня люди тратят столько энергии, как если бы каждого человека постоянно освещало две 100-ваттные лампочки. Это много, но в то же время от Солнца на Землю поступает энергии в 10 тысяч раз больше. Солнечная энергетика могла бы решить проблему, но промышленная солнечная батарея «отбивает энергозатраты» на её производство только через год непрерывной работы. Решение предложил швейцарский ученый Михаэль Гретцель из Политехнической школы Лозанны. Он разработал схему солнечного элемента, напоминающую процесс фотосинтеза. Солнечный свет поглощается красителем (в растениях — зеленым пигментом хлорофиллом, в фотоэлементах — светочувствительными молекулами или наночастицами) и запускает цепочку химических реакций. В чем плюсы? Во-первых, создание такого фотоэлемента требует существенно меньших энергозатрат, чем производство популярных сегодня кремниевых батарей. Во-вторых, кремний поглощает лишь часть солнечного спектра, а оставшаяся часть спектра не участвует в работе фотоэлемента.

В нашем проекте мы ищем способы получить материал, работающий во всём диапазоне «радуги». Для этого можно сочетать наночастицы из разных материалов. Разные участки «радуги» будут действовать на разные наночастицы, возбуждая в них электроны для выработки электрического тока в фотоэлементе. Этот же эффект может использоваться для разложения вредных веществ, оставшихся после промышленного загрязнения. Например, ранее для борьбы с насекомыми широко использовали ДДТ — сегодня запрещенное вещество во многих странах. Его молекулы не разрушаются десятилетия, усваиваются животными и рыбами, вместе с ними мигрируют по планете, достигая Антарктиды, с пищей попадают в организм человека и приводят к разным заболеваниям. Разрабатываемый нами наноматериал может служить катализатором разложения ДДТ при облучении солнечным светом. Оба аспекта применения материала — солнечная энергетика и разложение загрязнителей — относятся к области «зеленой химии» и позволяют сделать жизнь на нашей планете чище и безопасней.

Андрей Ворох, сотрудник Института химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук (Екатеринбург)

Адаптивная оптика — королевство кривых зеркал

Земная атмосфера, в том числе слой воздуха, которым мы дышим, находится в хаотическом турбулентном движении. Поэтому излучение, например, от далекой звезды, проходя через нашу атмосферу, претерпевает флуктуации — искажения. В результате изображение звезд дрожит, размывается и мерцает, мешая астрономам наблюдать на крупнейших оптических телескопах. Устранить эти трудности призваны адаптивные оптические системы при помощи специальных зеркал, которыми можно управлять. Но если атмосфера искажает случайно, то как правильно управлять зеркалом? Для этого нужен измеритель искажений главного искажения и математический алгоритм управления. Конечно, в реальности системы более сложны, а области применения не ограничиваются астрономией: это лазерные комплексы, системы слежения за воздушно-космическими объектами и биомедицина. Главная особенность таких систем — это способность работать в реальном времени. В случае работы в атмосфере это доли секунды: пока не изменились турбулентные флуктуации. Достичь такого быстродействия непросто. Мы предлагаем применять математические методы прогнозирования, чтобы повысить быстродействие, а значит, сделать систему более эффективной.

Лидия Больбасова, сотрудник Института оптики атмосферы им. В. Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (Томск)


Новые катализаторы для солнечной энергетики

Что в большинстве случаев делает современный человек, когда хочет узнать, сколько времени, какая погода будет завтра или в каком году родился известный писатель? Скорее всего он берет в руки смартфон и использует его для поиска ответов. Практически безграничные возможности по поиску знаний и общению еще никогда в истории не лежали буквально у каждого человека в кармане. И все это стало возможно благодаря массовому внедрению в производство вычислительных чипов на основе кремниевых транзисторов. С каждым годом требования к качеству сырья для их создания и количеству растут, сфера применения кристаллического кремния расширяется, но также растут и требования экологической безопасности, и желание потребителей получить продукт подешевле. К сожалению, производство кремния – в его текущем виде – весьма опасно, вредно и приводит к большому количеству отходов.

Работа нашего коллектива направлена на создание высокоактивных катализаторов – веществ ускоряющих химическую реакцию. Создание таких веществ – это творческий процесс, в котором ученый-химик выступает в качестве дизайнера, который на основе проведенных научных исследований «пришивает» к своему катализатору то, что он считает нужным для получения определенных свойств. Такие катализаторы позволят перерабатывать отходы текущих кремниевых производств в кристаллический кремний безопасным для окружающей среды образом, делая природу чище, а любимые нами гаджеты – доступнее.

Андрей Воротынцев, кандидат химических наук, сотрудник Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева


Превращение «ненужного» сырья в востребованный продукт

Из нефти и продуктов её переработки получается большая часть исходного сырья для химической промышленности, которая производит полиэтиленовые пакеты, пластиковые бутылки, косметику и многое другое. Постоянно сокращающиеся запасы нефти требуют поиска альтернативных источников, что таит серьёзные, пока ещё нерешённые до конца научные проблемы. Один из возможных выходов — увеличение глубины переработки нефти. Это подразумевает использование в качестве сырья для химической промышленности тех компонентов, которые ранее не перерабатывались, например, сжигались. Тут есть большой потенциал, поскольку глубина переработки нефти в России составляет 74%, в Европе — 85%, в США — 96%.

Одними из побочных продуктов нефтедобычи, которые пока мало перерабатываются, являются попутные нефтяные газы. Они содержат в своем составе, в основном, метан, этан и пропан. Мы в нашей работе исследуем катализаторы (ускорители реакции) сложного состава, которые позволяют с высокими выходами превращать «ненужное» сырьё — этан и пропан — в ценные химические продукты. Для того чтобы катализатор работал эффективно, все компоненты должны быть включены в единую сложную структуру. К сожалению, в процессе работы эта структура разрушается, и свойства теряются. В рамках нашего проекта мы пытаемся с помощью широкого набора современных методов исследования разобраться, как на атомном уровне формируется и разрушается активная структура и как можно сделать её устойчивой.

Татьяна Кардаш, сотрудник Институт катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск)


Хрупкость и пластичность почвенного микромира

Давно подмечено, что почва — это зеркало ландшафта, не просто отражающее рельеф, климат, биоту и материнские породы, которые способствовали ее развитию, а сохраняющее информацию о них в виде определенных свойств. Некоторые свойства, как например, цвет и температура, называемые «почва-момент», легко записываются и легко стираются. Для записи других необходимы стабильные условия в течение длительного времени (так называемые «почва-память»). Свойства «почва-память» используют, когда необходимо узнать условия, в которых почва образовалась или как эволюционировала.

В нашей работе мы хотим сравнить на разных масштабных уровнях (крупного региона и небольших холмах) сопряженные почвы, развивающиеся в более сухих и увлажненных условиях тундр, тайги и лесостепи Западной Сибири. Нам бы хотелось в ходе проекта выявить свойства «почва-память», связанные с содержанием и распределением соединений металлов, глинистых и неглинистых минералов. Это позволит охарактеризовать и предсказывать изменения в циклах веществ в условиях изменения климата в ландшафтах Западной Сибири.

Иван Семенков, сотрудник МГУ им. М.В. Ломоносова



Инфохимия для создания «умных» материалов

Сегодня существует тенденция рассмотрения важных проблем с привлечением интердисциплинарных областей. Она привела к тому, что в лучшем IТ-университете, Университете ИТМО, возникла кафедра химии, где одно из основных направлений деятельности университета — информационные технологии — рассматривается в совершенно для него новом направлении: на молекулярном уровне и в химических системах.

В нашей недавно созданной лаборатории «Инфохимии» мы работаем по нескольким направлениям: от создания искусственной клетки до систем программирования бактериальных биопленок и умных динамических материалов, включаемых светом, изучение и моделирование разных систем и нелинейных процессов. Так, например, нелинейные процессы, протекающие на границе раздела фаз полупроводника и полимерных нанослоев, повторяют особенности множества процессов, протекающих в природе — восстановление тканей, транспорт веществ в живых клетках. В нашей работе мы создаем новый тип «умных» материалов, которые понимают, как изменяется показатель кислотности среды, что меняет их оптические свойства под действием света различным образом (в зависимости от длины волны света). Разработанные методы дают новый стимул к развитию физической химии поверхностных явлений и нелинейных процессов, происходящих на границе раздела фаз при активировании и релаксации системы светом.

Екатерина Скорб, профессор Университета ИТМО (Санкт-Петербург)


Не суди по объему!

Представьте, что в предмете размером с маленький автомобиль или шкаф, стоящий в вашем доме, может поместиться не несколько кубических метров воздуха, которым вы дышите, а более 100. Да, такое возможно, если создать определенную температуру и давление, то из воды (в различных ее фазовых состояниях) могут образоваться газовые гидраты. Газовые гидраты – твердые кристаллические соединения, внешне напоминают лед или снег, способные содержать в единичном объеме до 160–180 объемов чистого газа. Различают техногенные и природные газовые гидраты, одни образуются в системах добычи газа, а другие находятся в рассеянном состоянии в недрах Земли. Научный интерес к ним растет каждый год, не только потому, что в них находится более 50% углеводородного сырья от общего количества на Земле, но и потому что они хорошие аккумуляторы других газов, что можно применять для других технологических решений.

Работа нашего коллектива направлена именно на это: мы занимаемся разработкой гибридных методов извлечения благородных газов из природного газа и на выходе – из ядерного реактора. В основу этого метода как раз легло использование газовых гидратов, как отличных аккумуляторов необходимых нам благородных газов – Неона, Криптона и Ксенона. Применение их невероятно разнообразно, они используются в различных областях: от медицины до наноэлектроники в качестве рабочих сред.

Антон Петухов, кандидат химических наук, сотрудник Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева


Исследование роли атмосферных циклонов в климатической системе

Где идет дождь на Земле? Практически везде, кроме пустынь. А где источник влаги, которая выпадает в виде дождя, снега или града нам на голову по дороге в школу или на работу? Главный источник влаги в атмосфере — это поверхность Мирового океана, с которой испаряется около 90% всей воды, находящейся в атмосфере в виде пара, капель и ледяных кристаллов. Оказывается, капли дождя, прервавшие вашу прогулку, попали в атмосферу с поверхности океана не там, где выпали, а за тысячи километров. Например, если дождь или снег идет в Екатеринбурге, то частицы воды могли проделать расстояние в 7000 км в атмосфере из Северной Атлантики, прежде чем выпасть на Землю. И тут начинается самое интересное: а что за атмосферный механизм переносит эти частицы с запада на восток и доставляет океанскую влагу на континент?

Атмосферные вихри — циклоны, о которых мы так часто слышим в прогнозе погоды, участвуют в переносе как влаги, так и тепла в атмосфере. В нашем исследовании мы ставим разные вопросы: где и как часто образуются атмосферные циклоны, насколько согласована изменчивость характеристик циклонов и влагопереноса в атмосфере, изменилась ли за последние полвека локализация мест зарождения и распространения циклонов и источников атмосферной влаги, что будет, если изменится локализация теплых течений в океане, будут ли циклоны «реагировать» и доставлять влагу в другом режиме или в другие области?

Мы анализируем многолетние архивы данных о состоянии атмосферы и океана, используем численное моделирование, спутниковые наблюдения, математический аппарат, современную визуализацию данных и очень скоро сможем улучшить качество сезонного прогноза погоды. Например, зная состояние океана и характеристики циклонов весной, мы сможем точнее спрогнозировать, каким будет лето: засушливым или влажным.

Наталья Тилинина, сотрудник Института океанологии им. П. П. Ширшова Российской академии наук (Москва)


Ученые ищут маленькие гены у маленьких растений

Чем выше колонна, тем больше нужно приложить инженерной смекалки, чтобы не допустить её падения. Особенно если на вершину колонны водрузить тяжёлый груз, например, памятник. Эту проблему, но только у пшеницы, решил селекционер Норман Борлауг, открыв гены низкостебельности. Соломина новых сортов стала ниже и смогла выдерживать большой груз тяжёлого колоса, не вытягиваясь даже при высоких дозах азотных удобрений, необходимых для налива колоса. Это оказалось столь значимо для селекции пшеницы, что получило название «Зеленой революции», а сам Борлауг — всемирное признание и Нобелевскую премию. Со временем два открытых гена (Rht-1 и Rht-2) широко распространились по всему миру. По некоторым оценкам, до 80% всех возделываемых сортов пшеницы несли хотя бы один из них. Но у любой даже самой блестящей медали есть и обратная сторона. Так, эти гены снижают длину проростка, не давая ему выбраться из-под слоя почвы, замедляют рост молодых растений, снижают устойчивость к ряду заболеваний. А значит, подходят далеко не для всех зон земледелия нашей необъятной родины. Поэтому в нашей работе мы решили заняться поиском новых генов низкостебельности при помощи самых современных методов генетики. А найденные гены мы проверим по их влиянию на урожайность и устойчивость к болезням. Ведь даже самое низкое растение будет бесполезно, если не даст нужный урожай. Кстати, искать гены низкостебельности мы будет не только в самой пшенице, но и в других видах, например, во ржи и овсе! Тут главное — найти, а с учетом современных биоинженерных технологий в нашу родную пшеничку мы их перенести всегда сумеем.

Михаил Дивашук, сотрудник Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К. А. Тимирязева (Москва)



Как изменение климата и эволюция человека повлияли на неандертальцев Кавказа

Наш научный проект «Взаимодействие человека и природы в древности на Центральном Кавказе» объединил археологов, зоологов, ботаников, геологов и геофизиков. Ученые сосредоточили свое внимание на изучении стоянки древнего человека в пещере Саражд-Чуко, расположенной в Приэльбрусье. Этот уникальный район, где находится единственное на Северном Кавказе месторождение высококачественного каменного сырья — обсидиана, древний человек посещал на протяжении всего каменного века. Однако только в 2016 году здесь удалось обнаружить стоянку эпохи неандертальцев — пещеру Сарадж-Чуко.

Наши первые результаты позволяют говорить, что неандертальцы появились в этом регионе в период межледниковья, около 130-110 тысяч лет назад. Культурные традиции этой популяции резко отличались от культуры неандертальцев Северо-Западного Кавказа. Нам предстоит изучить, каким образом глобальные климатические циклы влияли на заселение различных регионов, механизмы появления технологических новаций, причины миграций и перезаселения, адаптации культуры к условиям окружающей среды в процессе антропогенеза.

Екатерина Дороничева, сотрудник АНО «Лаборатория доистории» (Санкт-Петербург)



Охладить нельзя промедлить! Куда поставить запятую, или разумное управление процессом охлаждения

Многие из нас с интересом наблюдали за работой кузнецов. Сначала они разогревают докрасна в печах металлические заготовки, затем методичными ударами молотка придают им нужную форму, и, наконец, держа заготовки огромными щипцами, опускают в чан с водой. Пожалуй, финальная часть работы кузнецов была самой завораживающей — попадая в воду, раскаленный металл, словно живой, издавал громкий треск и шипение. «Начинающие» исследователи затем повторяли увиденное в полевых условиях: опускали раскаленные шампуры в ведро с водой или бросали гвозди из костра в лужи.

Физическая природа процесса охлаждения высокотемпературного тела в холодной жидкости никого не интересовала, а зря! При контакте очень горячего тела с жидкостью, последняя мгновенно превращается в пар, окутывая, словно одеялом, раскаленный металл. Этот эффект, известный как эффект Лейденфроста, каждый из нас наблюдал, когда капля жидкости каталась по раскаленной сковороде как будто невесомая. Паровая подушка, возникающая между каплей и горячей поверхностью сковороды, из-за низкой теплопроводности пара позволяет капле жидкости существовать достаточно продолжительное время (до сотни секунд) и скользить по поверхности практически без трения.

Режим кипения, когда возникает паровая прослойка между горячим телом и жидкостью, называется пленочным кипением. Этот режим характеризуется низкими темпами охлаждения, и во многих практических приложениях его следует сделать более активным. К таким приложениям относится проблема закалки металлических изделий и охлаждение активной зоны ядерного реактора.

Изучением пленочного режима кипения и занимается наша научная группа в стенах Московского Энергетического Института. Исследования носят как теоретический, так и экспериментальный характер. По существу, мы проводим те же манипуляции, что и упомянутые выше кузнецы. Вот только в качестве заготовки мы используем цельные металлические шары из меди, никеля и стали. Нагреваем их до температур, порядка 800ºС с помощью высокочастотной индукционной печи. С помощью специального механизма опускаем в резервуар с охлаждающей жидкостью, например, дистиллированной водой, этиловым спиртом, их смеси разной концентрации (концентрация пива, вина, водки и самогона), изопропиловым спиртом, а также уникальную жидкость перфторгексан, которая почти в 2 раза тяжелее воды! В процессе эксперимента, с помощью вмонтированных в шар термопар, мы получаем значение температуры в разных точках шара, а с помощью высокоскоростной видеокамеры можем разглядеть процессы кипения (формирования паровой пленки, рост и отрыв пузырей), во всей их красоте, недоступной при наблюдении в реальном времени. Массив уникальных экспериментальных результатов позволила нашему коллективу первыми в мире предложить физическую модель, которая проливает свет на природу сверхинтенсивного взаимодействия горячих тел с жидкостями!

Арслан Забиров, сотрудник Московского энергетического института

Когда частицы становятся волнами

В «классической» картине мира 19-го века частицы вещества при столкновении друг с другом рассеиваются примерно как шарики для настольного тенниса. Если частицы не являются элементарными, то есть, в свою очередь, состоят из других частиц, то при очень сильных столкновениях они могут распадаться на более мелкие составляющие. Именно так учёные, работающие на мощных ускорителях частиц, называемых коллайдерами (от англ. «to collide» — сталкиваться), изучают сегодня устройство микромира.

Однако уже почти сто лет назад физики осознали, что все частицы вещества могут вести себя так же, как волны. В такой «квантовой» картине мира сталкивающеся частицы могут не только рассеиваться друг на друге, но и интерферировать между собой (аналогично волнам света) или даже вообще пролететь друг сквозь друга безо всякого взаимодействия. За последний век учёные выяснили, что волновая природа материи проявляется наиболее мощно для частиц, скорость которых мала по сравнению со скоростью света. К макроскопическим проявлениям таких свойств относится, например, явление сверхпроводимости. Но в современных экспериментах на коллайдерах скорость частиц должна быть очень большой, и в этом случае частицы ведут себя в основном классически — как компактные объекты, а не как протяженные в пространстве волны.

В нашем проекте мы изучаем теоретические проявления волновой природы вещества при столкновении пучков частиц на современных ускорителях. За последние годы физики научились манипулировать волновой природой частиц и приготавливать особые виды волн материи. С различными видами «обычных» волн мы сталкиваемся в повседневной жизни в явлении радуги, при наблюдении расходящихся кругов от брошенного в воду камня, следа от быстро плывущей по воде утки и в других ситуациях. В столкновении квантовых аналогов таких волн могут проявляться различные фундаментальные свойства вещества нашего мира, недоступные для изучения обычными «классическими» пучками. Мы изучаем такие частицы-волны и их свойства, разрабатываем теорию их столкновений и формулируем предсказания новых квантовых эффектов, которые могут быть экспериментально изучены на современных физических установках. А также разрабатываем возможные практические приложения.

Дмитрий Карловец, сотрудник Томского государственного университета



Просветляющие микроструктуры: устраняем потери, размывая границы

Для современной оптической техники наличие внутренних потерь световой энергии недопустимо ­– будь то сверхмощный лазер или высококачественный объектив. Общее правило: меньше потерь, значит, лучше система. Чаще всего, потери возникают из-за так называемого «френелевского отражения» — отражения света на границах раздела сред, например, воздуха и стекла. Так из-за френелевского отражения на одной линзе может потеряться до 30% падающего на неё света.

Поэтому за последние двести лет человечество изобрело немало способов устранять френелевское отражение. Один из этих способов, предложенный еще лордом Джоном Уильямом Релеем (1842 — 1919) в далеком 1881 году, — создание на оптической поверхности, которая граничит с воздухом, такого градиента показателя преломления, чтобы излучение как бы не замечало границы между воздухом и стеклом. И один из методов, позволяющих создать такой градиент, заключается в создании специальной микроструктуры на поверхности. При этом размеры элементов микроструктуры должны быть очень маленькими, сопоставимыми с длиной волны излучения, а это в оптическом диапазоне около 1 мкм (10-6 м), чего добиться очень непросто. Даже в начале XXI века создание такой структуры — сложная задача.

В рамках проекта ученые из Бауманки и ФИАНа создают такие микроструктуры с помощью современной лазерной технологической установки. Эта установка с помощью импульсов длительностью 10-13 секунд делает небольшие отверстия на поверхности, испаряя часть материала. Таким образом формируется тот самый градиент показателя преломления, благодаря которому потери можно уменьшить в 100 раз!

Владимир Лазарев, сотрудник НОЦ «Фотоника и ИК-техника» Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана

Недавние новости

Возврат к списку