Функционально-градиентные материалы – это инновационный класс материалов, свойства которых плавно изменяются в пространстве, что позволяет им сочетать несовместимые в обычных условиях характеристики. Благодаря этому они находят применение в самых разных областях – от медицины до аэрокосмической промышленности.
Доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией «Функционально-градиентные и композитные материалы» ДГТУ Сергей Айзикович возглавляет в университете научную школу «Разработка высокоточных приближенных численно-аналитических методов решения задач механики твердого тела». Исследования коллектива проводятся в рамках национального проекта технологического лидерства «Новые материалы и химия» и направлены на разработку методов, позволяющих моделировать механическое поведение материалов.
В 2024 году сотрудники школы выполнили три проекта по грантам Российского научного фонда (РНФ) с общим объемом финансирования 21 млн рублей. В текущем году РНФ поддержал уже четыре проекта на сумму 22,5 млн рублей.
Текущий мега-грант, который курирует Сергей Айзикович, связан с определением свойств глазных тканей и влагонасыщенных пористых материалов. Такие исследования необходимы для создания биосовместимых имплантов, не отторгаемых организмом.
Уже разработаны математические модели интраокулярных линз для замены хрусталика и кератопротезов для восстановления роговицы.
В лаборатории также есть магнетронная установка, позволяющая создавать функционально-градиентные материалы (например, нитрид титана и нитрид алюминия), востребованные в электронной промышленности.
Кроме того, ученые работают со скаффолд-технологиями (англ. scaffold – леса, подмостки, греч. techne – искусство, мастерство и logos – учение) – выращиванием клеток на трехмерных подложках для создания трансплантатов.
Математическое моделирование
В основе многих наших исследований лежит уникальный математический аппарат, который позволяет моделировать покрытия с большим числом слоев – 50 и выше. Речь идет о функционально-градиентных веществах с произвольным изменением свойств материала по глубине. Данный метод применим также для покрытий, состоящих из большого числа прослоек с резко отличающимися упругими свойствами. Активно исследуется и неоднородность термомеханических свойств. Лаборатория сотрудничает с ведущими мировыми научными организациями и учеными, занимающимися схожей проблематикой
Он добавил, что эти исследования проводятся в рамках стратегического технологического проекта развития ДГТУ «Единое здоровье».
Сергей Айзикович – первый руководитель Научно-образовательного центра функциональных градиентных материалов (НОЦ «Материалы») Донского государственного технического университета. Лабораторию «Функционально-градиентные и композитные материалы» (подразделение НОЦ) он возглавляет с 2011 года.
Направления наших исследований – аналитические решения контактных задач теории упругости для неоднородных сред, математическое моделирование контактного взаимодействия тел с покрытиями сложной структуры и другие. Мы реализовали мега-грант «Биомеханика тканей полости рта и глазного яблока и оптимизированные биосовместимые материалы для имплантации». Результаты этой работы нашли отражение в кандидатской диссертации сотрудника НОЦ «Материалы», доцента кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Евгения Садырина, которая называется «Характеризация свойств здоровых и патологически измененных твердых тканей зуба».
Изначально лаборатория занималась теоретическими задачами, но со временем расширила сферу деятельности до прикладных исследований.
Премия двух академий
В декабре 2024 года сотрудники НОЦ «Материалы» – Сергей Айзикович, заведующий лабораторией «Механика биосовместимых материалов» Андрей Николаев и кандидат физико-математических наук Евгений Садырин – за совместную работу с учеными Белоруссии были удостоены премии Российской академии наук и Национальной академии наук Белоруссии.
Награда присуждена за цикл работ «Функционально-градиентные микронные покрытия: получение и характеризация контактно-зондовыми методами».
Объединяя фундаментальные знания и медицинскую практику
Еще одно направление работы НОЦ «Материалы» связано с именем австралийского ученого Майкла Свэйна.
Мы оба специалисты по контактным задачам. Только я еще связан с неоднородными материалами, а Майкл – с биологией. По данной тематике у него более сотни успешно реализованных проектов. Ему принадлежит фраза: «В мире много лабораторий, которые изучают биоматериалы. Но они фокусируются на отдельных областях, а наша цель – провести исследование, которое объединит фундаментальные знания и медицинскую практику». Майкл Свэйн способствовал нашим контактам за рубежом. Несмотря на сложность логистики, он и сегодня продолжает поддерживать с нами связь.
Он пояснил, что современная медицина активно использует имплантацию, но существующие материалы часто механически несовместимы с живыми тканями, что приводит к воспалению и отторжению.
Ученые ДГТУ работают над решением этих проблем, изучая свойства глазных и зубных тканей для создания идентичных по характеристикам имплантов.
Существуют разные методы решения обратных или некорректных задач. Один из них – метод подбора. То есть берутся математические модели, строятся несколько возможных результатов испытаний, затем сравниваются с экспериментальными данными и выбирается оптимальный вариант. Сама разработка таких моделей – сложная задача. И Российский научный фонд поддерживает именно такие сложные исследования. Еще мы исследуем функционально-градиентные материалы с пьезоэлектрическими свойствами, решаем задачи трения и износа для продления ресурса механизмов. В лаборатории работает 15 человек, средний возраст – 35–41 год. Я убежден, что без государственной поддержки наука, которой мы занимаемся, развиваться не может. Серьезные исследования требуют огромных усилий.
Игорь Голота, управление информационной политики
isdstu@mail.ru
