Университет ИТМО и немецкая компания Bosch подписали соглашение о проведении научных исследований в области нового для России научного направления — физики активной материи (active matter). В рамках совместного проекта ученые работают со скоплениями макро- и микрочастиц, которые могут самостоятельно перемещаться и организовываться в новые структуры. Результатом сотрудничества станут новые технологии для энергетики, промышленности и медицины.

Экспериментальная установка из движущихся роботов с нарушенной симметрией. Фото: Лилия Кичигина / Новый физтех ИТМО

Active matter — молодое направление в физике, активно развивающееся за рубежом, например, в США и Англии. В России до настоящего момента не было ни одной профильной научной группы. Исследователи в этой области рассматривают частицы, которые, подобно биологическим системам, например колониям бактерий или косякам рыб, способны преобразовывать свою внутреннюю энергию в механическое движение и за счет этого формировать необычные структуры. Поняв фундаментальные закономерности поведения таких систем, ученые надеются создать «умные» материалы с управляемыми свойствами и функциями. Скопления активных частиц особенно перспективны для разработки методов микроструктурирования материалов и преобразования энергии, адресной доставки веществ, а также создания сенсоров и детекторов формы.

«Нам повезло стать первой группой в России, способной реализовывать активные материалы на любом масштабе — от скоплений роботов до микрочастиц. Когда мы делаем материал активным, описывающие его уравнения становятся сложнее. В них появляется много интересной физики, позволяющей управлять организацией частиц в пространстве. Вместе с коллегами из Bosch мы будем проходить полный научный цикл: от гипотез и теоретических расчетов до моделирования и экспериментальной реализации таких систем», — рассказывает научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Никита Олехно.

Численное моделирование движения активных частиц с нарушенной симметрией, показывающее образование упорядоченных структур. Анимация: Тимофей Круглов / Bosch

Процесс работы ученых над проектом можно разделить на три ключевых этапа. Первый — это теоретическое исследование и численное моделирование систем с различными размерами, формой и поведением частиц. Дальше предсказанные эффекты будут проверяться в системах из макрочастиц: например, небольших роботов, свойствами которых проще управлять. И наконец, в случае успеха на следующем этапе исследователи ИТМО будут реализовать эту систему уже на микроуровне, синтезируя «умный» материал. Таких циклов может быть столько, сколько различных интересных эффектов обнаружится в рассматриваемых моделях.

«В ближайшее время мы хотим проверить идею, которую никто до нас не исследовал. А именно поэкспериментировать с частицами с сильно нарушенной симметрией. Команда Никиты уже сделала около сотни маленьких роботов в форме капелек для проверки наших гипотез. Теперь мы будем выяснять, как “заставить” их собираться в нужную нам геометрию и какие применения у этого могут быть», — объясняет ведущий инженер российского отдела исследований и разработок Bosch Тимофей Круглов.

Первые результаты ученых ИТМО и Bosch пока носят фундаментальный характер. Однако в перспективе 5–7 лет авторы проекта надеются «нащупать» вектор для прикладных решений, которые будут коммерциализированы и принесут пользу в качестве технологической основы для будущих продуктов компании.

«Для Bosch как крупной технологической корпорации важно понимать, как мы будем действовать в будущем, какие технологии будем производить в ближайшие 50 лет. Active matter — это как раз то направление, которое позволит открыть новые возможности в самых перспективных областях — медицине, энергетике и промышленности. Мы уверены, что те идеи, которые  разрабатываются в нашем научном отделе, будут теоретически обоснованы и практически реализованы благодаря нашему новому стратегическому партнеру, Университету ИТМО. Уже полученный нами опыт с ИТМО в рамках этого проекта показывает отличные темпы и качество работ, подчеркивая высокий и конкурентный уровень российской науки и ее готовность активно взаимодействовать с ведущими компаниями», — заключает руководитель российского отдела исследований и разработок Bosch Александр Борисов.

Несмотря на новизну направления, ИТМО использует мощный задел, накопленный в процессе исследования  метаматериалов, особенно в части микроскопической реализации (синтеза) таких структур. Кроме того, ИТМО — один из сильнейших в мире университетов в моделировании электромагнитного  взаимодействия частиц, что подтверждено рядом публикаций в наиболее цитируемых мировых журналах, включая Nature Photonics и Physical Review Letters.

Пресс-служба Университета ИТМО