На Урале создали цифровой двойник магнитных наночастиц
Исследователи Уральского федерального университета (УрФУ) создали цифровой двойник, который позволяет моделировать свойства магнитных наночастиц и прогнозировать их поведение еще до начала реального синтеза. Описание модели исследователи опубликовали в журнале Physics of Metals and Metallography.
Магнитные наночастицы — 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. Активно ведутся клинические испытания магнитных наночастиц в диагностике и терапии рака.
Научная группа магнитодинамики сред с высокой магнитной проницаемостью УрФУ 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.
«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 другие. 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», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Григорий Мельников.
Исследователи проверили модель на реальных экспериментальных данных. Она показала работоспособность, и теперь с ее помощью ученые будут точнее и быстрее рассчитывать необходимые технологические параметры.
«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”», — пояснила участвовавшая в разработке профессор-исследователь кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Галина Курляндская.
Ученые УрФУ уже более 15 лет работают совместно с коллегами из Института электрофизики УрО РАН над созданием функциональных наночастиц.
«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», — добавила Галина Курляндская.
На сегодняшний день не существует методов, с помощью которых можно создавать партии идеальных наночастиц одинаковой формы. Но к этому стремятся разработчики во всем мире, так как для практических приложений объем партии (количество материала, синтезированного за один раз) и однородность наночастиц имеют критически важное значение. Авторы надеются, что разработанная ими модель поможет продвинуться в создании максимально однородных партий наночастиц.