Уральские ученые из федерального университета создали цифровой двойник, предназначенный для моделирования характеристик наночастиц. Данная разработка позволит ускорить и оптимизировать процесс создания магнитных наночастиц, используемых в разных областях, а также в будущем – получать новые материалы с заданными свойствами. Подробное описание модели было представлено в журнале «Физика металлов и металлографии». Исследования проводились при поддержке Министерства науки и образования РФ (государственное задание FEUZ-2026-0016).
Наночастицы, разработанные учеными УрФУ совместно со специалистами лаборатории импульсных процессов Института электрофизики УрО РАН, представляют собой экономически эффективную и многообещающую базу для широкого спектра практических задач. В частности, их можно использовать для производства контрастных веществ в магнитно-резонансной томографии, в терапии онкологических заболеваний (включая гипертермию, магнитное биодетектирование и адресную доставку лекарств), в качестве добавок для полимерных композитов (например, гелей для имплантации), а также для создания материалов, предназначенных для электромагнитной защиты и сенсорных систем. Характеристики полимерных магнитных композитов, содержащих эти наночастицы, могут быть модифицированы путем изменения свойств самих частиц, что открывает возможности для разработки инновационных материалов для имплантатов, конструкционных материалов для автомобильной и авиационной промышленности, а также экранов, обеспечивающих защиту от электромагнитных помех в медицинских учреждениях и других сферах применения.
«Электрофизические методы, такие как электрический взрыв проволоки, лазерное испарение мишени и искровой разряд, применяются для производства наночастиц. Профессор-исследователь кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ, Галина Курляндская, отмечает, что первые два из этих методов позволяют изготавливать значительные объемы наночастиц – до 400 и 100 граммов соответственно. В настоящее время электрофизическими методами производится лишь 8% от общего количества наночастиц в мире, в то время как 90% приходится на химические и 2% на биологические методы.
В настоящее время не разработано технологий, позволяющих получать партию наночастиц, характеризующуюся абсолютной идентичностью формы и размера. Однако, исследователи по всему миру нацелены на достижение этой цели, поскольку объем производимой партии и степень однородности наночастиц играют ключевую роль для большинства применений. В частности, при создании лекарственных препаратов допустима работа только с материалом из одной партии, чтобы минимизировать различия между наночастицами по своим физико-химическим характеристикам. Уральские ученые надеются, что разработанная ими модель позволит им добиться существенного прогресса в создании партий, максимально приближенных к идеалу.
«Цифровой двойник ансамбля магнитных наночастиц представляет собой микромагнитную компьютерную модель, в которую закладываются характеристики наночастиц, основанные на данных, полученных в ходе первичных экспериментов. К контролируемым параметрам относятся структура отдельных частиц, их распределение по размеру, форма, фазовый состав, толщина оболочки и другие характеристики. Моделирование позволяет определить, при каких конкретных параметрах возможно достижение требуемых магнитных свойств. Затем эти данные передаются технологам для производства партии частиц с заданными параметрами, которые корректируют условия синтеза с целью получения необходимого состава наночастиц, обеспечивая тем самым обратную связь. Благодаря цифровому двойнику можно прогнозировать результаты за одну-две недели, в то время как проведение экспериментов может занимать месяцы, а порой и годы», — поясняет научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Григорий Мельников.
По словам исследователей, микромагнитная модель была разработана и подтверждена результатами реальных экспериментов. Она продемонстрировала свою эффективность, что позволит точнее и оперативнее корректировать технологические параметры для достижения желаемого результата.
«По словам Галины Курляндской, теоретический модельный анализ, помимо сокращения времени и затрат на проведение экспериментов, дает возможность понять факторы, определяющие формирование определенных свойств. Это, в свою очередь, позволяет точнее корректировать процесс синтеза, открывая перспективы для создания новых или материалов с улучшенными характеристиками. Такое направление исследований называют «настраиваемыми функциональными материалами.
Справка
Магнитные наночастицы (МНЧ) представляют собой передовые материалы, размер которых варьируется от 1 до 100 нанометров и характеризующиеся особыми магнитными характеристиками. Сферы их возможного использования весьма разнообразны и включают медицину, биологию, химию, материаловедение, а также автомобильную и авиационную промышленность, а также создание спортивных материалов. Например, в биомедицине магнитные наночастицы применяются для повышения детализации изображений, получаемых с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). В онкологии, в целях диагностики и лечения (включая гипертермию, магнитное биодетектирование и имплантацию), проводятся клинические исследования, и в некоторых медицинских центрах мира МНЧ уже находят применение.
В других областях материаловедение находится на этапе перехода от лабораторных испытаний к масштабному промышленному применению. Например, это касается адресной доставки лекарственных средств: препаратов доставляют непосредственно в очаг заболевания посредством внешнего магнитного поля. С помощью наноматериалов также планируется очищать сточные воды от тяжелых металлов и нефтепродуктов, а также использовать их в качестве многоразовых катализаторов. Еще одна перспективная область – электронная промышленность, где находят применение в записи данных на жесткие диски, защите от электромагнитных помех, в качестве магнитных чернил для защиты банкнот, при создании ферромагнитных жидкостей и в других разработках.
Согласно исследованиям Credence Research, к 2032 году рынок наночастиц магнетита увеличится с 62,74 млн долларов США в 2024 году до приблизительно 129,67 млн долларов США, демонстрируя среднегодовой темп роста в 9,5%. В свою очередь, объем мирового рынка наномагнитных устройств, по оценкам Research and Markets, в 2024 году составил 24,5 млрд долларов США и, как ожидается, достигнет 33,6 млрд к 2030 году, увеличившись на 5,4% в год%.
В настоящее время разработка и изготовление наночастиц и наномагнитных устройств в основном осуществляются в Соединенных Штатах Америки, Германии и Японии. В Российской Федерации ключевые центры разработки расположены в Москве, Томске и на Уральском регионе.
Пресс-служба Уральского федерального университета предоставила информацию и фотографии