3D-печать из стали и дефекты алмазов: что изучают ученые Арктического НОЦ

Одна из целей нацпроекта «Наука и университеты» — ввести Россию в мировую пятерку стран по разработкам в приоритетных областях. Развитие сети научно-образовательных центров мирового уровня (НОЦ) должно помочь нашей стране войти в число лидеров. В НОЦ используется современная модель исследований и разработок, основанная на кооперации в цепочке «наука — университеты — бизнес». Такое сотрудничество позволяет не вести исследования ‎в стол, а эффективно использовать их для социально-экономического развития страны.

Одна из таких коллабораций вузов, научных институтов и компаний, представляющих реальный сектор экономики, сформировалась на севере европейской части России. Инициаторами создания этого НОЦ два года назад стали Архангельская и Мурманская области, а также Ненецкий автономный округ. Название центру дали соответствующее: «Российская Арктика».

В этой статье мы расскажем, какие приоритеты у «профильного» российского НОЦ и какими его разработками может гордиться наша страна.

Главная цель центра — исследование и внедрение новых материалов и технологий для развития промышленности и экономики российских приполярных районов. Десятки организаций-членов НОЦ трудятся над тем, чтобы повысить конкурентоспособность продукции, произведенной в нашей стране в Арктике и для Арктики. Кроме того, большое внимание уделяется ускоренной цифровой трансформации в регионе. Не забывают и о совершенствовании системы подготовки и дополнительного профессионального образования специалистов.

Список вузов, научных институтов и компаний, участвующих в работе НОЦ, постоянно пополняется. Только этим летом к нему присоединились сразу восемь новичков.

Суммарно на финансирование всех проектов и программ НОЦ в 2020–2024 годах запланировано выделить почти 127,5 млрд рублей. Из них лишь чуть более 18 млрд — из госбюджета; остальное предоставят индустриальные партнеры. Одним из основных эффектов от этих вложений, как ожидается, должен стать ежегодный рост инвестиций в основной капитал компаний, работающих в Арктике, на 3–5%. Кроме того, планируется создать в общей сложности около 8,5 тыс. высокотехнологичных рабочих мест.

Проекты в центре развивают по шести основным направлениям. Это «Северный морской путь и связность арктических территорий», «Судостроение и морская техника для арктического шельфа», «Жизнедеятельность человека в Арктике», «Разведка, добыча и переработка полезных ископаемых», «Лесные биоресурсы» и «Водные биоресурсы».

Одна из последних инициатив НОЦ — создание центра передовых цифровых и производственных технологий для судостроения. Его предлагается открыть на базе судоремонтного предприятия «Звездочка» в Северодвинске. В рамках НОЦ Санкт-Петербургский Политех и Северный (Арктический) федеральный университет (САФУ) в Архангельске уже работают для «Звездочки» над актуальными проектами в области аддитивных технологий. Среди них, к примеру, 3D-печать лопастей турбин для судовых энергетических установок и гребных винтов. Их создают по методике прямого лазерного выращивания, используя металлические порошки.

По задумке, новый центр будет помогать работе «Объединенной судостроительной корпорации» (ОСК). В нем станут готовить кадры, разрабатывать технологические процессы по инновационным направлениям и изготавливать оборудование под конкретные задачи. Местные специалисты также смогут встраивать новою технику в действующие производственные цепочки, монтировать ее, налаживать, запускать и сопровождать на начальном этапе. Если эксперимент окажется успешным, сеть аналогичных организаций появится по всей стране.

Северный (Арктический) федеральный университет в Архангельске — одна из базовых организаций НОЦ и ведущий вуз в российской Арктике. Сейчас в нем более 800 преподавателей. Ученые имеют возможность работать в том числе на борту научно-исследовательского судна «Профессор Молчанов», которое уже 10 лет играет роль арктического плавучего университета.

На базе Технопарка САФУ развивается центр инженерных разработок. Здесь заинтересованные партнеры могут получить конструкторско-технологическое сопровождение при создании документации комплектующих. Особое внимание уделяется тем из них, которые необходимы, чтобы поддерживать непрерывность производства и обеспечивать тем самым безопасность арктических предприятий. Кроме того, в центре занимаются технологическим реинжинирингом и 3D-моделированием, требующимися для выпуска импортозамещающей продукции.

Благодаря сотрудничеству с НОЦ специалисты центра могут развивать свои профессиональные компетенции и получать новые. Так, осенью для них провели программу переподготовки.

В 2021 году Минобрнауки выделило научно-образовательным центрам гранты на создание новых лабораторий. Сразу две из них благодаря этому появились в САФУ. Основную часть сотрудников составили молодые ученые младше 39 лет. Многие из них — магистранты и аспиранты.

Одна из лабораторий специализируется на изучении углеродных материалов и спиново-оптических явлений в широкозонных полупроводниках. В ней занимаются обработкой и диагностикой монокристаллических алмазных пластин, которые могут применяться в квантовых технологиях. Исследования второй лаборатории посвящены химии природных соединений растений Арктики и биоаналитике.

Синтетические монокристаллические алмазы — востребованный и перспективный материал. Он уже успешно применяется в самых разных областях, в том числе для сверхточной механической обработки, в лазерной технике, силовой и СВЧ-электронике, детекторах излучения, рентгеновской оптике. В дальнейшем подобные алмазы можно будет внедрить в производство, например, квантовых гироскопов, магнитометров и устройств для навигации.

Но для применения их в квантовых технологиях специалистам необходимо более детально изучить материал. И в Северном федеральном университете в этом году заметно продвинулись в этом.

В новой лаборатории ученые занялись изучением алмазных пластин с различными дефектами, в том числе так называемыми NV-центрами. Для применения алмазных пластин в квантовых технологиях необходимо знать, сколько NV-центров есть на каждой из них, где они расположены и как ориентированы. Определить все это технически очень сложно. До сих пор методик для этого практически не было: существовавшие давали только косвенные сведения, но не точные.

Маленькую революцию в этой сфере произведут методы, которые разработал заведующий лабораторией, профессор фундаментальной и прикладной физики Дмитрий Макаров. Они пригодятся для диагностики не только алмазной кристаллической решетки, но и других сложных нано- и биосистем. Исследуя, как серия ультракоротких лазерных импульсов взаимодействует с материалом, можно увидеть структуру молекул в том числе в динамике. Так можно понять, как атомы со временем образовали то или иное соединение, мгновение за мгновением меняя положение и связи.

В лаборатории химии природных соединений и биоаналитики САФУ ищут различные биологически активные соединения в арктических растениях, в том числе и в морских водорослях. Ученые совершенствуют методы выделения, идентификации и очистки таких веществ. Все это поможет наладить комплексную и безотходную переработку возобновляемого растительного сырья в регионе. А еще на основе полученных знаний можно будет создать новые поколения фармацевтических препаратов.

В Северном государственном медицинском университете Минздрава России работают в смежном направлении. Он, как и САФУ, тоже расположен в Архангельске и входит в НОЦ. На базе вуза в лаборатории биотехнологии по запатентованной и сертифицированной методике производят инновационный напиток из сосновой хвои «Арктивит». Технология, разработанная здесь, позволяет максимально сохранить и стабилизировать в готовом продукте природные витамины и микроэлементы. Они остаются в напитке на протяжении не менее одного месяца, в то время как промышленные методики позволяют сберечь самые полезные компоненты всего на 7-10 дней.

Это особенно важно, когда речь идет о натуральной на 100% продукции, подобно той, которую придумали в медицинском университете. Напиток, содержащий витамины А, С, Е, К, В1, В2, В3, В6, РР, Н, фолиевую кислоту, железо, калий, магний, кальций, натрий, кобальт, марганец — настоящий клад для здоровья.