Сверхпроводники для космоса, «умные» лекарства и левитирующее топливо. Топ разработок российских учёных  

Они обладают энергией тротила, но не взрываются от удара. Эти перспективные компоненты для топлива будущего теперь можно безопасно изучать в условиях, как в невесомости — прямо на Земле. В Самаре создали установку, где ультразвук заменяет космическую станцию, позволяя подвешивать и смешивать капли без стенок реактора. Эта технология ускоряет поиск идеальной формулы для ракетных двигателей, наблюдая за «чистой» химией горения.

Мы продолжаем рассказывать о последних разработках российских учёных. В новом выпуске — сразу несколько ярких открытий: «умное» противоопухолевое соединение на основе цитрусового пектина и ионов кобальта, которое избирательно уничтожает клетки рака, не затрагивая здоровые ткани; уникальное стекло для лазеров с рекордной эффективностью свечения в инфракрасном диапазоне; костный имплантат с эффектом памяти формы, активируемый температурой тела; а также новый сверхпроводящий материал, способный ускорить создание гибридных суперкомпьютеров и космической электроники. Все подробности — в нашем материале.

Сверхпроводник для космической техники и суперкомпьютеров

Учёные из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и НИУ ВШЭ разработали новый сверхпроводящий материал на основе аморфного рения, способный ускорить создание гибридных суперкомпьютеров и устойчивой электроники для космических аппаратов. Результаты исследования могут открыть путь к электронике с минимальными энергопотерями.

Ключевым достижением стало получение наноплёнок аморфного рения методом электронно-лучевого испарения. Это позволило повысить критическую температуру сверхпроводимости материала до 7–8 К (против 1,5 К у кристаллической формы), что упрощает и удешевляет его практическое применение.

«Если помечтать и предположить в будущем уменьшение криостатов до настольных размеров, то на их основе можно разработать гибридные вычислители с огромной производительностью», — отметил ведущий научный сотрудник ФИАН, профессор НИУ ВШЭ Александр Кунцевич. По его словам, такая технология способна совершить революцию, сделав суперкомпьютерные мощности мобильными.

Материал обладает тремя ключевыми свойствами. Он устойчив к окислению на воздухе, что обеспечивает долговечность компонентов. Это позволяет создавать сверхпроводящие транзисторы — связующее звено между классической и квантовой электроникой. Кроме того, он стабилен в экстремальных условиях, что открывает дорогу в космос.

Специалисты выделяют два главных направления применения. Первое — гибридные процессоры, где сверхпроводящие схемы могут работать вместе с обычными для многократного роста производительности. Второе — космическая техника: от детекторов излучения и систем квантовой связи до радиационно-стойкой бортовой электроники.

«Умное» противоопухолевое соединение на основе пектина

Учёные Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр РАН» разработали новые водорастворимые соединения, которые демонстрируют высокую и избирательную активность против раковых клеток при минимальной токсичности для здоровых тканей. В основе инновации — цитрусовый пектин, модифицированный ионами кобальта.

Исследователи синтезировали два новых вещества — калиевый и натриевый кобальт-полигалактуронаты, а также их фармакологическую композицию. Все они хорошо растворяются в воде, что является ключевым условием для биодоступности будущего препарата. Лабораторные тесты показали, что соединения эффективно подавляют рост клеток рака лёгкого, молочной железы и шейки матки. Особенно высокая селективность, с индексом более 10, была отмечена в отношении рака лёгкого, что указывает на его прицельное действие именно на опухоль.

Механизм действия заключается в запуске программируемой гибели (апоптоза) раковых клеток по митохондриальному пути и остановке их деления. При этом токсическое воздействие на нормальные клетки оказалось незначительным, что выгодно отличает разработку от многих современных химиотерапевтических средств. Как показали исследования, с помощью микроскопии, соединения образуют наноструктурированные системы, способствующие, вероятно, контролируемому высвобождению активного компонента.

Авторы подчёркивают, что это не готовое лекарство, а перспективная платформа для создания новых, менее токсичных противоопухолевых препаратов на основе природных полисахаридов. В будущем такие соединения могут применяться в комплексной терапии для снижения побочных эффектов. Разработка уже защищена патентом РФ, и следующим этапом должны стать доклинические исследования.

Ультразвуковой левитатор для конструирования топлив будущего

Учёные Самарского университета имени Королева и Физического института имени Лебедева РАН представили уникальную экспериментальную установку, которая позволяет создавать и испытывать компоненты перспективных ракетных топлив в условиях, приближённых к космическим. Разработка основана на технологии акустической левитации, которая удерживает капли жидкости в воздухе без какого-либо контакта со стенками сосуда.

Принцип работы установки заключается в создании мощного поля ультразвуковых стоячих волн, способных «подвешивать» капли исследуемых веществ. Это позволяет проводить эксперименты в так называемых бесконтейнерных условиях.

«Отсутствие стенок устраняет влияние нежелательных поверхностных реакций и процессов теплообмена, — поясняет доцент кафедры оптики и спектроскопии Самарского университета Иван Антонов. — Кроме того, в левитаторе можно исследовать процессы горения в условиях микрогравитации, почти как в космосе, без применения сложных испытательных стендов».

Ключевая особенность технологии — возможность дистанционного управления каплями. С помощью низкочастотной модуляции ультразвуковой волны учёные могут сближать и смешивать друг с другом капли разных веществ, например, топлива и окислителя, наблюдая за реакцией в чистом виде.

Сейчас установка используется для изучения гипергольных ионных жидкостей, которые самовоспламеняются при контакте с окислителем — это важно для создания эффективных ракетных двигателей. Учёные подбирают оптимальные комбинации, изучая кинетику воспламенения.

Главная задача — найти взаимосвязь между молекулярной структурой жидкости и её гипергольностью. На основе этих данных планируется создать алгоритм для целенаправленного синтеза топлив с заданными свойствами.

В ближайшее время начнутся эксперименты с новым, более энергоёмким классом ионных жидкостей, содержащих энергоёмкие анионы. Предварительные данные показывают, что эти богатые азотом и кислородом соединения имеют детонационные характеристики, сравнимые с тротилом, но при этом низкую чувствительность к удару, что критично для безопасности.

Уникальное стекло для лазеров нового поколения

Международная группа исследователей из России, Франции и Чехии синтезировала уникальный материал — теллуритное оксохлоридное стекло, легированное ионами редкоземельных элементов. 

Новый материал на основе системы хлорида свинца и диоксида теллура демонстрирует рекордную эффективность свечения (люминесценции) в среднем инфракрасном диапазоне (2–3 мкм). Именно в этом диапазоне работают лазеры для высокоточной хирургии, терапии и промышленного применения.

Ключевой успех учёных — преодоление главной технологической сложности. Им удалось подобрать условия синтеза методом закаливания расплава, чтобы избежать образования примесей, подавляющих свечение. 

«Люминесценция в диапазоне 2–3 мкм получена и подробно охарактеризована впервые для стёкол, содержащих хлорид свинца», — отметила руководитель исследования от ИОНХ РАН Мария Бреховских.

По сравнению с традиционными стёклами новый материал обладает более низкой энергией фононов и прозрачностью в ИК-диапазоне, что делает его перспективной основой для мощных и стабильных лазеров, оптических усилителей и компонентов фотоники. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Non-Crystalline Solids.

Костный имплантат с памятью формы

Учёные Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из Института физики прочности и материаловедения СО РАН разработали инновационные биосовместимые каркасы (скаффолды) для восстановления костной ткани, обладающие памятью формы. Уникальность материала в том, что он «вспоминает» свою исходную форму при температуре, близкой к температуре человеческого тела. Разработка открывает новые возможности для минимизации хирургического вмешательства. 

Созданные методом 3D-печати скаффолды со структурой гироида имитируют природную архитектуру кости и обладают программируемой памятью формы. Имплантат изготавливают по форме дефекта, затем сжимают и охлаждают. При операции его вводят через минимальный разрез, и при температуре тела (37°C) он разворачивается, точно заполняя дефект.

«Это обеспечивает плотное прилегание без механической подгонки и снижает травматичность», — поясняет инженер-исследователь ТПУ Анастасия Фетисова.

Ключевое достижение — снижение температуры активации эффекта. Материал на основе полилактида с добавлением 10% полиэтиленгликоля «вспоминает» форму при безопасных 36–39°C, тогда как чистый полилактид требует более 60°C.

«Испытания показали восстановление формы на 97% за шесть минут при 40°C. Этому способствует структура гироида, обеспечивающая равномерный нагрев», — отмечает инженер Абдулла бин Фироз.

Решение проблемы высокой температуры активации открывает путь к клиническому применению. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение механических свойств скаффолдов в условиях, имитирующих нагрузку на кость, и на доклинические испытания для оптимизации материала.

«Наша работа закладывает основу для безопасного и эффективного применения таких скаффолдов в организме», — резюмирует руководитель исследований, профессор ТПУ Роман Сурменев.

Первая в мире упаковка, убивающая бактерии

Исследователи Томского государственного университета (ТГУ) и Института физики прочности и материаловедения СО РАН разработали первую в России антимикробную полипропиленовую плёнку для пищевой промышленности. Инновационный материал, модифицированный двухкомпонентными наночастицами оксида цинка и серебра, уничтожает до 99,99% патогенных микроорганизмов на своей поверхности, что значительно продлевает срок годности продуктов и снижает риск отравлений. Технология уже запатентована и вызвала интерес у крупных российских производителей.

Обычная пластиковая упаковка пассивна — она не борется с бактериями на продукте. Учёные ТГУ сделали её активной, добавив в полипропилен двухкомпонентные наночастицы ZnO/Ag, синтезированные методом электрического взрыва скрученных проволок. «Этот метод обеспечивает высокую чистоту и чёткое разделение фаз», — поясняет старший научный сотрудник ТГУ Ольга Бакина.

Под действием света частицы генерируют активные формы кислорода, разрушающие клетки микробов. Оптимальная концентрация — 0,5% по массе: больше делает плёнку хрупкой, меньше — снижает эффект.

Плёнка подавляет рост золотистого стафилококка и грибка Candida albicans, а тесты на цитотоксичность подтвердили её безопасность для человека.

«У отечественной промышленности нет серийного производства таких материалов. Хотя увеличение срока хранения даже на сутки снижает экономические потери», — отмечает Ольга Бакина.

Технология готова к внедрению — интерес проявили «СИБУР ПолиЛаб» и НПП «Тасма». Исследование поддержано Минобрнауки, результаты опубликованы в «Российском физическом журнале». 

Текст: Ирина Леонова

Иллюстрации сгенерированы freepik.com и shedevrum.ai