logo
федеральное государственное бюджетное учреждение науки

ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

сибирского отделения
российской академии наук
►►►


I. АКТУАЛЬНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ НАПРАВЛЕНИЙ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.


В настоящее время, с одной стороны, возникла потребность в изменении направленности фундаментальных исследований, в частности, приведение их в соответствие с уставными научными направлениями исследований на ближайший период. Такая потребность вызвана несколькими причинами. Во-первых, в результате выделения Отдела физических проблем из состава Учреждения Российской академии наук Бурятского научного центра Сибирского отделения РАН (БНЦ СО РАН) и создания на его основе научной организации - Института в качестве юридического лица. Во-вторых, рассматривая планы и отчеты о научной и научно-технической деятельности Отдела физических проблем, принимая во внимание мнение научных экспертов Объединенного ученого совета СО РАН по физическим наукам. Предложение комплексной комиссии Президиума СО РАН (постановление Президиума СО РАН «Об анализе деятельности научных центров СО РАН от 19.03.2007 г. № 86) и прямые непосредственные указания руководства СО РАН, определены приоритеты научной деятельности Института.

В качестве основной деятельности Института является проведение фундаментальных и прикладных исследований на ближайшую перспективу. При этом имеется ввиду разработка на разных уровнях физического материаловедения.

В настоящее время в физическом сообществе, особенно с утверждением основ политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2020 года и дальнейшую перспективу, хорошо осознается острая потребность в дальнейшей разработке методологии и теории современных физических исследований, которые смогут оказать решающее влияние на развитие физического материаловедения.

Физическое материаловедение - область знаний, охватывающая совокупность средств, способов и методов научной и инженерной деятельности по разработке новых и улучшению существующих неорганических материалов, процессов их получения и обработки. Разработку, применение и развитие методов исследования, контроля и управления качеством материалов по их составу, структуре и свойствам. Созданию, сопровождению и использованию информационных систем по материалам.

В последнее время в Отделе физических проблем уже решались на достаточном профессиональном уровне научные задачи по научным направлениям - новые функциональные материалы и покрытия, новые технологии их получения, радиофизические методы диагностики природных и искусственных материалов и сред и их междисциплинарных направлений. Проанализированы и систематизированы результаты многих исследований, которые целесообразно и далее развивать, что само по себе является достойной задачей на ближайшую перспективу.

Необходимо кратко сформулировать несколько позиций государственного задания для обоснования и актуальности, и целесообразности научной разработки следующих новых задач прогнозируемых в сфере фундаментальных научных знаний результаты высокого уровня.

1. Физико-химические основы технологии поверхностной обработки металлических сплавов (инструментальных и конструкционных сталей) при интенсивном воздействии электронных пучков, новые упрочняющие покрытия на основе наноструктурированных материалов:

  • теплофизические, гидродинамические и диффузионные процессы в обрабатываемых импульсными электронными пучками в вакууме материалах и сплавах при их поверхностном борировании;
  • механизмы и закономерности структурирования поверхностных слоев и формирования наноструктурных покрытий боридов и карбидов переходных металлов на железоуглеродистых сплавах;
  • физико-химические свойства (жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, механические, электропроводящие свойства) слоев и покрытий на основе боридов и карбидов переходных металлов.

2. Неравновесные процессы пересыщения углерода и роль ионов углерода, ионов плазмообразующего газа аргона и паров углерода (распыленных ионным пучком) в образовании наноструктурированных слоев со свойствами алмаза:

  • с физической точки зрения указанная фундаментальная научная проблема непосредственно связана с разработкой новых способов пересыщения углерода объединяющих ионное распыление, ионное осаждение и ионное облучение, направленных на осаждение при низких температурах и низких давлениях (в вакууме) наноструктурированных слоев, содержащих наночастицы (кластеры) углерода, обладающих свойствами алмаза. Основными экспериментальными методиками будут служить подходы создания газоразрядной плазмы, высоковольтной эмиссии ионов и распыления графитовой мишени, частичной ионизации и частичного переноса через плазменное образование распыленных паров углерода. Модифицирование наносимых на поверхности подложек слоев из распыленных паров углерода и ионов углерода путем облучения ионами низких энергий плазмообразующего газа (аргон), причем низковольтная эмиссия с плазменной границы ионов плазмообразующего газа, наряду с эмиссией ионов углерода, локализуется в общем ускоряющем промежутке граница плазмы – подложка;
  • физические проблемы повышения износостойкости и пластичности созданием наноструктурированных слоев композитов на основе наноразмерных частиц боридов, нитридов и алмаза и медной связующей.

3. Формирование композитных структур с эффектом плазмонного резонанса на основе неравновесных процессов физического распыления и на принципе инжекции ионного пучка в магнетронный разряд:

  • получение паров композитов и металлов и пучка распыляющих ионов. Разработка методов генерирования эмитирующей ионы плазмы на основе низковольтного тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов (магнетронного и тлеющего с полым катодом), получение паров композитов и кластеров металлов (серебро) ионным распылением;
  • неравновесные процессы формирования композитных слоев с эффектом плазмонного резонанса. Выбор концентрационных соотношений паров композита и металлов (серебро). Осуществление физических процессов распыления серебра ускоренными ионами, испускаемыми плазмой сквозь эмиссионный канал в стенке эмиттерного катода, перенос на подложку распыленных паров серебра совместно с парами композита, создаваемых распылением составных катодов плазменными ионами магнетронного разряда;
  • оценка физических возможностей процессов осаждения и свойств наноразмерных композитных слоев с эффектом плазмонного резонанса, выработка практических требований и рекомендаций по нанесению слоев с высоким поглощением оптического излучения. Оптимизация свойств композитных слоев в зависимости от параметров процесса: энергии и плотности потока распыляющих ионов, тока разряда, скорости роста слоев, доли паров композита и металла (серебра), полного тока ионного пучка, энергии осаждаемых и облучаемых ионов, толщины слоев, энергии распыленных частиц, рода и ориентации подложки, остаточного давления, температуры ростовой поверхности.

4. Синтез нанопорошков и формирование покрытий на их основе.

  • систематизация результатов по синтезу нанопорошков и полученных покрытий. Выработка рекомендаций по выбору условий и способов синтеза нанопорошков испарением электронным пучком с заданными функциональными свойствами и наноструктурированных покрытий на их основе.

5. Эволюция структурно-фазового состояния поверхностного слоя и научные основы создания опытных технологий высокоэффективного упрочнения поверхности твердых сплавов.

  • разработка научных основ и создание опытных технологий высокоэффективного упрочнения поверхности твердых сплавов WC-Co и быстрорежущих сталей путем формирования в поверхностном слое высокопрочной многоуровневой структуры комбинированными методами электронно-пучковой обработки и нанесения на поверхность нанокомпозитного сверхтвердого покрытия.
  • оптимизация термохимических и теплофизических процессов повышающих эксплуатационные свойства твердых сплавов и быстрорежущих сталей на основе карбида вольфрама и определение технологических условий поверхностного упрочнения сплава и сталей на основе карбида вольфрама концентрированным источником энергии (электронным пучком).

6. Пространственные модели многомерных диаграмм состояния для дизайна микро- и наноструктур.
 

7. Исследование плазменных процессов, разработка и применение плазменных технологий в области физического материаловедения:

  • исследование режимов горения электрической дуги и условий образования на катоде наноуглеродных материалов в высокоресурсном электродуговом плазмотроне с пропановой защитой электродов и создание промышленных электродуговых генераторов низкотемпературной плазмы мощностью 100-300 кВт;
  • исследование отрицательного коронного разряда в потоке аргона и создание генераторов неравновесной плазмы.

8. Синтез электродинамических структур - метаматериалов с заданными, пропускающими, развязывающими и неотражающими свойствами:

  • исследование электродинамических свойств структур типа фотонных кристаллов; отражающих и развязывающих свойств слоистых композитных структур (магнитодиэлектрические слои, слои из киральных, штыревых элементов).

9. Эффект пластичности стеклообразных материалов, переход жидкость – стекло, вязкое течение стеклообразующих растворов и стекол, ангармонизм колебаний решетки кристаллов и стекол, релаксационные явления, релаксация напряжений в стеках, разработка рекомендаций по созданию новых стеклообразных материалов:

  • разработка новой универсальной модели молекулярно-кинетических процессов в стеклообразных системах(модели делокализованных атомов), основанной на представлении о том, что элементарный акт этих процессов сводится к флуктуационной делокализации атома, сводящейся к критическому его смещению, соответствующему максимуму силы межатомного притяжения;
  • проведение всесторонних экспериментальных и теоретических исследований эффекта пластичности стекол, устаноление взаимосвязи между характеристиками процесса размягчения и пластической деформации стекол;
  • построение теории перехода жидкость–стекло как квазифазового перехода;
  • на основе делокализованных атомов вывести обобщенное уравнение вязкости стеклообразующих расплавов, однозначно связывающее коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) с параметром Грюнайзена – мерой ангармонизма колебаний решетки и нелинейности силы межатоомного взаимодействия;
  • на основе полученных результатов разработать рекомендации по созданию новых стеклообразных материалов.

10. Экспериментальные и теоретические исследования структурно-релаксационных явлений в коллоидных наносистемах, планарных системах и стеклообразных полупроводниках для выяснения природы процессов, протекающих в них:

  • экспериментальное исследование низкочастотных вязкоупругих релаксационных параметров коллоидных суспензий наночастиц, коллоидных кластеров полупроводников резонансным акустическим методом в зависимости от температуры, частоты и амплитуды колебаний.
  • развитие теории акустоэлектронного взаимодействия в неоднородных планарных системах наноразмерных металлических частиц;
  • изучение высокочастотной проводимости ансамбля наноразмерных частиц металлов, разработка численных методов расчета взаимодействия больших ансамблей атомов для моделирования в дальнейшем свойств наночастиц.

11. Разработка радиофизических методов функциональной диагностики организма человека по параметрам пульсовой волны и технических средств для их реализации:

  • разработка физических основ метода диагностики состояния человека по пульсу, математических моделей пульсовых волн и создание компьютерного многофункционального диагностического комплекса нового поколения, представляющего собой синтез автоматизированного пульсодиагностического комплекса тибетской медицины и экспертных диагностических систем, обеспечивающего незамедлительную постановку диагноза одновременно 12 внутренних органов человека по пульсу.

12. Радиолокационное, радиометрическое и тепловое зондирование природных и искусственных сред:

  • моделирование механизмов взаимодействия электромагнитных полей с природными объектами с учетом анизотропии, пространственной и частотной дисперсии: механизма дистанционного ослабления волн в лесном слое; механизма отражения волн от почвенно-лесного покрова земли, в том числе и радиолокационного (обратного) с учетом возбуждения обращенных волн; механизмов распространения нестационарных электромагнитных полей;
  • разработка эффективных методов обработки радиолокационных и радиометрических снимков, полученных с помощью космических аппаратов на основе зависимости интерференционной структуры поля от физических и геометрических особенностей земной поверхности, на основе изменения когерентности волн, переизлученных земной поверхностью и изменения поляризационной структуры поля, переизлученного реальными земными объектами.

13. Совершенствование методов физической оптики как составной части для описания явлений при дифракции на отверстиях различных конфигураций; изучение дифракционных электромагнитных полей в модельных структурах, образованных сопряженными и комплементарными метаматериалами:

  • получение аналитических решений задач Френеля и Фраунгофера, достоверно определяющих физическую картину пространственно-частотной структуры электромагнитного поля при дифракции на отверстиях различных конфигураций, скомбинированных из секторных и угловых областей;
  • построение модели замкнутой (скрытой) системы чередующихся угловых секторов комплементарных киральных метаматериалов с циркуляцией электромагнитной энергии.

14. Изучение физических закономерностей изменения состояния и экологии атмосферы:

  • исследование количественного и качественного состава атмосферы в разных природно-климатических условиях, моделирование локальных и региональных переносов атмосферных примесей и пылевого аэрозоля и оценка их влияния на опустынивание территорий Центральной Азии;
  • разработка и развитие дистанционных методов зондирования, внедрение новых методов и средств сбора, обработки, хранения и использования информации о загрязнении природной среды для оценки состояния и прогноза изменения природных сред, процессов и явлений.

15. Современные катастрофы и критические состояния среды природного и антропогенного происхождения – научные основы и прогноз. Взаимосвязь атмосферного электричества, погоды и климата:

  • совершенствование системы мониторинга глобальной атмосферной электрической цепи, молниевых разрядов и сейсмоэлектромагнитных процессов и явлений в Байкальской рифтовой системе.

Отмеченные направления фундаментальных исследований вписываются в приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации: индустрия наносистем, космические системы, энергоэффективность, энергосбережение.

Соответствуют критическим технологиям - информационных, управляющих, навигационных систем; получения и обработки конструкционных и функциональных наноматериалов; мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения; новых и возобновляемых источников энергии; предупреждения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера; компьютерное моделирование наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий.

Непременно необходимо сконцентрировать научный потенциал и ресурсы на выполнение поддержанных с недавнего времени новых междисциплинарных проектов фундаментальных исследований на 2012-2014 г.г., в первую очередь:

Программы Президиума РАН:

  1. Программа № 4. Природная среда России: адаптационные процессы в условиях изменяющегося климата и развития атомной энергетики, координатор академик Н.П.Лаверов. Подпрограмма. Проблемы опустынивания Центральной Азии, координатор академик Н.Л.Добрецов.
    • Проект 6. «Спутниковая радиолокационная интерферометрия вертикальных деформаций земной поверхности вследствие техногенной сейсмичности», координатор чл.-к. РАН В.Л.Миронов.
    • Проект 12. «Исследования проявлений экстремальных природных явлений в приземном, пограничном и тропосферном слоях атмосферы Центральной Азии и Сибири средствами активного и пассивного зондирования, локального контроля, координатор д.ф.-м.н. М.В.Панченко Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева СО РАН.

  2. Программа № 20. «Квантовые мезоскопические и неупорядоченные структуры», координатор академик А.Ф.Андреев.
    • Проект 4. «Исследование композитных частиц и коллективных возбуждений в низкоразмерных системах под действием высокочастотных оптических и акустических полей», координатор академик А.В.Чаплик, Институт физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН.

Программы СО РАН.

Междисциплинарные интеграционные проекты СО РАН:

  1. Проект № 8. «Оценка влияния антропогенных источников Прибайкалья на качество атмосферы над акваторией Байкала на основе экспериментальных наблюдений и математического моделирования», координатор д.г.н. Т.В.Ходжер.
  2. Проект № 11. «Литосферно–ионосферные взаимодействия в Байкальской рифтовой системе»,координатор: академик Г.А.Жеребцов.
  3. Проект № 73. «Изучение закономерностей и механизмов сейсмотектонических процессов в земной коре методами физического моделирования на ледовом покрове озера Байкал», координатор чл.-к. РАН С.Г.Псахье.
  4. Проект № 111. «Сейсмичность и структура очаговых зон землетрясений Байкальского рифта», координатор д.г.-м.н. Г.И.Татьков.
  5. Проект № 144. «Криогенные ресурсы Арктики и Субарктики: состояние и структура криолитозоны, физико-химическое моделирование и биологический потенциал криогенных систем», координатор академик В.П.Мельников.

Партнерские проекты фундаментальных исследований.

  1. Проект № 25. «Атмосферный аэрозоль азиатской части России и обменные процессы в системе атмосфера-водная поверхность-биота», координатор д.ф.-м.н. С.М.Сакерин.

Проекты РФФИ:

  1. Проект № 11-03-00761а Наноструктурированные подложки для трансмембранной диагностики клеточных структур методом гигантского комбинационного рассеяния.
  2. Проект № 11-05-92219 - Монг_а, «Экспериментальные исследования динамики пылевого аэрозоля, малых газовых примесей атмосферы пустыни Гоби и их роль в формировании региональных и глобальных климатических изменений».
  3. Проект № 10-08-00918-а, «Закономерности и механизмы формирования упрочненных слоев боридов переходных металлов в сплавах на основе железа при воздействии электронного пучка в вакууме».
  4. Проект № 12-08-98000-сибирь-а, «Исследование неравновесных процессов пересыщения углерода ионами низких энергий с образованием наноструктурированных слоев со свойствами алмаза».
  5. Проект № 11-08-00717-а, «Энергосберегающие гибкие автоматизированные системы на основе роторных и импульсных мехатронных манипуляционных устройств повышенного быстродействия».
  6. Проект № 10-02-00573-а, «Исследования и разработка основ управления спиновыми состояниями в квантовых точках».
  7. Проект № 12-05-98055-сибирь-а, «Особенности формирования микрофизических, оптических свойств и химического состава аэрозоля прибрежной зоны оз.Байкал».
  8. Проект № 12-02-98002-сибирь-а, «Радиофизическая диагностика сейсмоактивных разломов Байкальской рифтовой системы».
  9. Проект № 12-08-98036-сибирь-а, «Исследование процессов формирования наноструктурированных слоев боридов переходных металлов на поверхности инструментальных сталей при воздействии электронного пучка в импульсном режиме».
  10. Проект № 12-05-98051-сибирь-а, «Изучение современных геодинамических процессов в южной части Байкальской рифтовой системы с применением метода высокоточной GPS-геодезии».
  11. Проект № 12-02-98007-сибирь-а, «Георадарная и радиоимпедансная диагностика акватории озер Котокель и его прибрежной территории».
  12. Проект № 12-01-98006-сибирь-а, «Математическое моделирование электромагнитных и термогидродинамических явлений в средах с фрактальной структурой экосистемы озера Байкал и его водосборного бассейна».
  13. Проект № 12-05-98062-сибирь-а, «Оценка влажности почв Республики Бурятия и её изменений на основе данных микроволнового дистанционного зондирования Земли из космоса».
  14. Проект № 12-02-98010-сибирь-а, «Исследование радиофизических характеристик лесной растительности Байкальского региона методами широкополосного радиопросвечивания».
  15. Проект № 12-01-98010-сибирь-а, «Математическое моделирование динамики сейсмоэлектромагнитных процессов в слоисто-неоднородной земной коре Байкальской рифтовой системы».
  16. Проект № 12-02-98012-сибирь-а, «Исследование реологических свойств суспензий наночастиц для создания высокоэффективных смазочных материалов».
  17. Проект № 12-02-98003-сибирь-а, «Исследования антропогенного воздействия на качество воды и р.Селенга на основе мониторинга её электропроводности».
  18. Проект № 12-02-06073-г, «Организация и проведение IV Международного Крейнделевского семинара Плазменная эмиссионная электроника»

Федеральные программы.

По Федеральной космической программе на 2011-2015 гг. совместно с Институтом радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН выполняется опытно-конструкторская работа «Создание банков данных и разработка технологий распространения космической информации» (шифр «Регион В-Архив»). Программа предусматривает разработку программно-аппаратного комплекса потоковой автоматизированной обработки данных и получение базовых продуктов радиолокации, геокодированные спутниковые изображения, полученные в результате автоматизированного тематического анализа и позволяющие определить состояние и динамику изменений земных покровов, включая моря и океаны, в интересах федеральных и региональных министерств и ведомств.

Продвижение выполнения следующих этапов данной работы сдерживается отсутствием лицензии. Необходимо ускорить подготовку документов для оформления лицензии в Федеральном космическом агентстве на осуществление космической деятельности со следующими видами выполняемых работ и оказываемых услуг:

  • использование (эксплуатация) космической техники, космических материалов и космических технологий в части проведения фундаментальных и прикладных исследований по развитию наземных и аэрокосмических методов и средств дистанционного зондирования;
  • изучение распространения радиоволн в атмосфере Земли, околоземном и космическом пространствах;
  • развитие радиофизических методов для космического мониторинга Земли, планет и объектов Солнечной системы, околоземного и космического пространств;
  • научно-методического сопровождения разработок научной аппаратуры для дистанционного зондирования;
  • участие в международном сотрудничестве по исследованию и использованию космического пространства.

С позиции преемственности и, несомненно, исходя из их результативности, практической полезности и востребованности, разумно завершить в текущем году в рамках государственного задания, в первую очередь сложившиеся и ранее утвержденные Отделу физических проблем на 2010-2012 г.г. приоритетные конкурсные проекты фундаментальных исследований:

  1. Структурно-релаксационные процессы в неоднородных системах с наноразмерными частицами и в стеклообразных полупроводниках.
  2. Процессы образования поверхностных наноструктурных слоев и покрытий боридов и карбидов при интенсивном воздействии электронным пучком.
  3. Исследование динамики атмосферного аэрозоля и парниковых газов в различных природно-климатических условиях под воздействием естественных и антропогенных факторов на примере резко континентального климата оз. Байкал и аридных территорий Центральной Азии.
  4. Моделирование волновых процессов в природных и искусственных средах.
  5. Радиофизическая диагностика слоисто-неоднородных почв и горных пород в ОНЧ-НЧ и ОВЧ-УВЧ диапазонах.
  6. Радиозондирование почвенно-лесного покрова в метровом и дециметровом диапазонах.
  7. Плазменные процессы в газоразрядных системах низкого и высокого (атмосферного) давления и их применение в новых технологиях.

Во-первых, соответствующих пересмотренным новым научным направлениям: новые функциональные материалы и покрытия, новые технологии их получения; радиофизические методы диагностики природных и искусственных материалов и сред.

Во-вторых, подпадающих, с одной стороны под основные положения программы фундаментальных научных исследований на 2008-2012 годы (распоряжение Правительства Российской Федерации от 27.02.2008 г. № 233-р), в частности, по научному направлению физические науки.

  1. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры (развитие технологии синтеза оптических сред, включающих водные суспензии и тонкие полимерные пленки; разработка новых композиционных конструкционных материалов и материалов со специальными физическими свойствами).
  2. Взаимодействие излучения с веществом.
  3. Изучение условий распространения электромагнитных волн в различных геофизических средах. Развитие дистанционных средств зондирования земной атмосферы и подстилающей поверхности.
  4. Разработка нелинейно-динамических методов анализа и прогноза эволюции сложных систем с приложением к климатическим, атмосферно-океаническим, геофизическим процессам и биологическим объектам.
  5. Физика низкотемпературной плазмы и основы ее применения в технологических процессах.

С другой стороны под приоритетные направления фундаментальных научных исследований РАН и Сибирского отделения РАН:

  1. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы.
  2. Актуальные проблемы оптики и лазерной физики, в том числе достижение предельных концентраций мощности и энергии во времени, пространстве и спектральном диапазоне, освоение новых диапазонов спектра, спектроскопия сверхвысокого разрешения и стандарты частоты, прецизионные оптические измерения, проблемы квантовой и атомной оптики, взаимодействие излучения с веществом.
  3. Современные проблемы радиофизики и акустики, в том числе фундаментальные основы радиофизических и акустических методов связи, локации и диагностики, изучение нелинейных волновых явлений.
  4. Современные проблемы физики плазмы, включая физику высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза, физику астрофизической плазмы и основы ее применения в технологических процессах.

В третьих, включенных на конкурсной основе в программы СО РАН:

  • новые материалы и технологии для опто-, спиновой и СВЧ-электроники (координатор академик В.Ф.Шабанов),
  • наноструктурные слои и покрытия: оборудование, процессы, применение (координатор д.т.н. Н,Н,Коваль),
  • фундаментальные проблемы оптики и дистанционного зондирования атмосферы (координатор д.ф.-м.н. Г.Г.Матвиенко),
  • радиофизические методы дистанционной диагностики окружающей среды (координатор чл.-к. РАН В.Л.Миронов),
  • физика низкотемпературной газоразрядной плазмы (координатор д.ф.-м.н. Ю.Д.Королев).

 




RAN SO RAN RFFI ФАНО RSF HBC Sib-Science News