Образцы наночастиц. Фото: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ
Научная группа Уральского федерального университета разработала цифровой двойник для моделирования свойств наночастиц. Новая модель поможет быстрее и эффективнее создавать магнитные наночастицы для различных назначений и в перспективе получать новые настраиваемые функциональные материалы. Описание модели исследователи опубликовали в журнале Physics of Metals and Metallography. Работу поддержало Минобрнауки России (госзадание FEUZ-2026-0016).
Наночастицы, которые ученые УрФУ создают со специалистами лаборатории импульсных процессов Института электрофизики УрО РАН, являются недорогой и перспективной основой для многих прикладных применений. К примеру, для создания контрастных агентов в МРТ, для лечения онкологии (гипертермия, магнитное биодетектирование, адресная доставка лекарств), в качестве наполнителей для полимерных композитов (гели для имплантации), для создания материалов для электромагнитной защиты и сенсорных приложений. Создаваемые с такими частицами наполненные полимерные магнитные композиты можно улучшать, влияя на свойства наночастиц, что позволяет создавать новые материалы для имплантов, новые конструкционные материалы для автомобилестроения, летательных аппаратов, экраны для защиты от электромагнитных шумов в клиниках и других приложений.
«Наночастицы получаются электрофизическими методами — электрическим взрывом проволоки, лазерным испарением мишени, методом искрового разряда. Первые два метода уникальны тем, что с их помощью можно получить большие партии наночастиц — до 400 и 100 граммов соответственно. Всего в мире этими методами пока получают только 8% всех наночастиц; 90% приходится на химические и 2% на биологические методы», — поясняет профессор-исследователь кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Галина Курляндская.
На сегодня не существует методов, которыми можно было бы создавать идеальную партию наночастиц: одинаковой формы, размера. Но к этому стремятся разработчики во всем мире, так как для приложений объем партии (количество материала, синтезированного за один раз) и однородность наночастиц имеют критически важное значение. К примеру, для разработки лекарств разрешено работать только с материалом одной партии, чтобы наночастицы как можно меньше отличались друг от друга по физико-химическим свойствам. И, как планируют уральские ученые, модель поможет им продвинуться в создании насколько возможно идеальных партий.
«Цифровой двойник ансамбля магнитных наночастиц — это микромагнитная компьютерная модель, в которую мы вводим характеристики наночастиц, включая данные, полученные из первичных экспериментов. К задаваемым параметрам можно отнести структуру отдельных частиц, распределение их по размеру, форму, фазовый состав, толщину оболочки и др. По результатам моделирования понимаем, при каких конкретных параметрах можно получить необходимые магнитные свойства. Далее передаем эти результаты технологам для получения партии частиц с желаемыми параметрами, которые настраивают условия синтеза для получения партии нужных нам наночастиц, то есть работает обратная связь. При этом с использованием цифрового двойника можно просчитать показатели за неделю-две, тогда как на эксперименты требуются месяцы, а иногда и годы», — рассказывает научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Григорий Мельников.
Микромагнитная модель отработана и проверена на реальных экспериментальных данных, добавляют исследователи. Она показала работоспособность, и теперь с ее помощью можно точнее и быстрее обновлять технологические параметры в соответствии с тем, что предполагается получить.
«Помимо сокращения сроков проведения экспериментов и экономии ресурсов, теоретический модельный анализ позволяет нам понять причины того, почему получаются те или иные свойства. А это, в свою очередь, — более точно программировать процесс синтеза, что может привести к появлению новых материалов или материалов с улучшенными качествами. Это называется “настраиваемые функциональные материалы”», — заключает Галина Курляндская.
Г. Мельников и Г. Курляндская. Фото: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ
Справка
Магнитные наночастицы (МНЧ) — это инновационные материалы размером от 1 до 100 нанометров, обладающие уникальными магнитными свойствами. Основные направления их потенциального применения — медицина, биология, химия, материаловедение, автомобильное и авиапроизводство, спортивные материалы. Так, в биомедицинских приложениях магнитные наночастицы уже используют для улучшения четкости снимков МРТ. В диагностике и терапии онкологии (гипертермия, магнитное биодетектирование, имплантология) сегодня активно ведутся клинические испытания и МНЧ точечно применяются в некоторых клиниках мира.
В других сферах МНЧ находятся на стадии перехода от лабораторных исследований к массовому промышленному внедрению. Это, к примеру, адресная доставка лекарств: транспортировка препаратов к очагу болезни с помощью внешнего магнитного поля. Также с помощью МНЧ предполагается очистка сточных вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов, использование частиц в качестве многоразовых катализаторов. Другая сфера применения — электронная промышленность: запись данных на жесткие диски, защита от электромагнитных помех, магнитные чернила для защиты купюр, ферромагнитные жидкости и многое другое.
По данным Credence Research, рынок наночастиц магнетита с 62,74 млн долларов США в 2024 году вырастет до примерно 129,67 млн к 2032 году, при среднегодовом темпе роста в 9,5%. А объем мирового рынка наномагнитных устройств, по данным Research and Markets, в 2024 году оценивался в 24,5 млрд долларов США и, согласно прогнозам, достигнет 33,6 млрд к 2030 году со среднегодовым темпом роста в 5,4%.
Сегодня создание и производство наночастиц и наномагнитных устройств сосредоточено преимущественно в США, Германии, Японии. В России основные центры разработки сосредоточены в Москве, Томске и на Урале.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Уральского федерального университета
