ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

НАИМЕНОВАНИЕ новинки или инновационного проекта:

1. Самоуправляемая система экспресс разработки наноструктурированных функциональных материалов на основе технологий микрофлюидики и машинного обучения.

Целью проекта является разработка и создание роботизированной экспериментальной лаборатории под управлением искусственного интеллекта для источников синхротронного излучения нового поколения. (проект будет представлен в форме видео презентации).

Новая экспериментальная система будет выполнять одновременно три функции:

1) диагностика трансформации атомной и электронной структур исследуемых материалов в ходе процессов при реальных технологических условиях (в том числе экстремальных) с анализом данных в режиме реального времени;

2) ускоренная разработка новых материалов на основе технологий микрофлюидики и искусственного интеллекта;

3) привлечение большого числа новых пользователей на источники синхротронного излучения, в т.ч. из реального сектора экономики.

Настоящий проект приведет к смене парадигмы использования источников синхротронного излучения: центры мега-сайенс должны стать не только исследовательской инфраструктурой диагностики, но и инфраструктурой ускоренной разработки новых материалов и технологических процессов, позволяющей естественным образом осуществлять трансфер сделанных разработок с использованием цифровых технологий в высокотехнологичную экономику уровня Индустрии 4.0. Это результат будет несомненно востребован развивающейся высокотехнологичной индустрией стран СНГ, основанной на внедрении новых цифровых технологий.

Управление лабораторией в режиме реального времени будет осуществляться предварительно натренированными алгоритмами машинного обучения, которые анализируют большие объёмы спектральных данных, получаемых с исследуемого вещества, и изменяют параметры синтеза для достижения целевых структурных параметров или свойств синтезируемых образцов.

Будет разработана методики анализа больших данных, получаемых в ходе operando диагностики материалов на источниках синхротронного излучения, в режиме реального времени с применением технологий машинного обучения, что позволит полностью контролировать стабильность и качество получаемых в ходе эксперимента данных, и при необходимости, вносить требуемые коррективы в параметры эксперимента. Тем самым, будет обеспечена высокая эффективность проведения даже самых сложных экспериментов и существенно повышена надежность полученных данных, что, несомненно, будет востребовано организациями, проводящими исследования и разработки с использованием инфраструктуры мега-сайенс.

 

НАИМЕНОВАНИЕ новинки или инновационного проекта:

2. Нанопористые материалы для применения в области катализа, экологической безопасности и биомедицинских технологий

Металлоорганические каркасные структуры (MOFs), представляющие собой состоящие из дискретных неорганических и органических структурных элементов кристаллические пористые твердые тела, свойства которых делают их перспективными для катализа и селективной адсорбции. Одним из полезных свойств металлоорганических каркасных структур является возможность инкорпорирования в их структуру отдельные молекулы, кластеры металлов и сложные функциональные группы, что позволяет использовать их в самых разных областях: в катализе, как материал для экологической безопасности (ремедиация почв и очистка воды) и для биомедицинских технологий в качестве материала для пролонгированной доставки лекарств. Металлоорганические каркасные структуры на основе циркония хорошо подходят для этих областей благодаря их устойчивости к воде и высоким температурам. Так, металлоорганическая каркасная структура UiO-67 на основе циркония и бифенил дикарбоксилатных линкеров имеет площадь поверхности, достигающую 2500 м2/г и размер пор, достаточный для того, чтобы вмещать крупные молекулы. Следует отметить, что размер пор металлоорганических каркасных структур можно варьировать о 1 до 100 нанометров, тем самым подбирая избирательность сорбции той или иной «гостевой» молекулы (в зависимости от ее размера).

 

НАИМЕНОВАНИЕ новинки или инновационного проекта:

3. Новые технологии и материалы для устойчивого природопользования

Проект направлен на разработку прорывных ресурсосберегающих технологий и решений для воспроизводства плодородия почв с целью обеспечения продовольственной и экологической безопасности. Создана уникальная конкурентоспособная технология получения высокопористых углеродистых сорбентов (биоуглей) с заданными функциональными параметрами из отходов растениеводства для восстановления загрязненных почв и повышения их плодородия. Основой для их получения служат такие многотоннажные отходы как лузга подсолнечника и шелуха риса, подвергающиеся термической обработке при недостатке кислорода воздуха. Вторым видом исходного сырья для создания биоуглей являются иловые осадки сточных вод. Варьирование температурных режимов (300°С, 500°С, 700°С, 900°С), скоростей нагрева (от 5 до 25 °С/мин) и длительности пиролиза (от 15 до 120 минут) исходного растительного материала в среде инертного газа позволяет получать биоуголь с программируемыми параметрами пористости, способный одновременно поглощать загрязняющие вещества и выступать в качестве носителя почвенных микроорганизмов.

С целью улучшения состава и структуры частиц биоуглей предложены оптимальные способы их модификации методами допирования солями, содержащими в своем составе N, P, K. Создаваемые модифицированные углеродистые материалы нового поколения отличаются уникальными удобрительными свойствами пролонгированного действия с замедленной скоростью высвобождения элементов питания растений, что может способствовать снижению затрат на применение минеральных удобрений, экологической нагрузки на окружающую среду и длительному эффективному воздействию на урожайность и качество сельскохозяйственной продукции.

Для восстановления почв с высоким и экстремально высоким уровнем загрязнения разработана технология получения инновационных композитов на основе углеродистых сорбентов и наноразмерных металлорганических каркасных структур (МОКС), имеющих рекордные показатели удельной площади поверхности до 10000 м2/г. Эти соединения представляют собой новую ступень развития пористых материалов. Их добавление к углеродистым сорбентам позволяет, с одной стороны, в разы увеличить показатели сорбционной емкости материала, а с другой стороны, снизить стоимость самого полимера.
Предложен метод получения композиционного материала CoFe2O4/С по реакции разложения солей. Показано, что формирование феррита кобальта (II) на поверхности углеродистого материала позволяет получать материал с существенным увеличением площади поверхности. Придание сорбенту магнитных свойств позволяет расширить область его применения и использовать для эффективного экспресс-устранения нефтеразливов с поверхности водных объектов за счет повышенной плавучести адсорбента. Процесс сбора насыщенного загрязняющими веществами сорбента осуществляется при помощи магнита.

Разработана технология экстракции гуминовых кислот из птичьего помета при помощи субкритических флюидных технологий, направленная на повышение плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур. Данный способ является экологически чистым, высокоэффективным и нетрудоемким в получении высококачественных удобрений для органического земледелия.

Внедрение данных технологий в практику сельского хозяйства позволит решить одновременно несколько задач: утилизацию региональных отходов сельского хозяйства, повышение плодородия почв и качества сельскохозяйственной продукции.