Математическое моделирование новых материалов в России: импульс для оцифровки и развития новой отрасли

Наукоемкие предприятия одной из ключевых задач ставят для себя поиск новых материалов, способных изменить привычные процессы и продукты. На сегодняшний день общемировой рынок проектирования новых материалов и веществ оценивается в 1,25 млрд долларов. В ближайшие 20 лет 90% материалов будут заменены принципиально новыми, почти 22% мировых патентов выдаются именно на изобретения в этой области.

Материаловедение использует обширный арсенал методов и способов для решения своих задач. Традиционные технологии полного цикла разработки и запуска производства нового материала требуют порядка 10 лет. Россия готова развивать это направление, в котором также успешно работают американские, китайские и европейские компании. Сейчас Россия находится на третьем месте в мире по объемам баз данных новых материалов и обладает солидным потенциалом для их коммерциализации. В таких условиях инвестиционные компании должны реагировать своевременно, а где-то даже играть на опережение. Ускорить процесс исследований и вывода на рынок новых материалов в два раза и снизить затраты втрое позволят методы математического моделирования.

Современное программное обеспечение совершило настоящую революцию в работе материаловедов. Оно уменьшает количество физических тестов, быстрее выявляет лучшие решения еще на старте и предоставляет свободу экспериментов по принципу "что, если", особенно при создании материалов для новых рынков.

Сегодня моделирование новых материалов сталкивается с довольно существенной для производственного процесса проблемой - отсутствием данных. Информация находится в разных организациях, свести ее вместе и провести совместный анализ пока не представляется возможным. В 2021 году в контуре Группы "РОСНАНО" создан Центр компетенций по цифровому моделированию новых материалов, который начал системную работу в области материаловедения, аккумулирует знания и ищет способы получить от них максимальную пользу. Центр станет медиатором между научным сообществом и заказчиками - как государственными, так и частными.

Макар Герман на открытии образовательного трека Группы "РОСНАНО" Фото: предоставлено пресс-службой Группы "РОСНАНО"

"Ключевая проблема математического моделирования новых материалов - мы не знаем, у кого какие данные есть и каким образом их можно использовать. Очень часто выдаем старые разработки за новые, большая часть результатов не вовлечена в коммерческий оборот. Результаты мало доступны из-за разобщенности: базы данных из разных исследовательских организаций невозможно скомпилировать между собой, практически невозможно без переработки сделать совместный анализ или вынести определенные закономерности. Тем не менее, нашими данными о материалах пользуются почти все, за исключением нас. Наиболее часто - Китай, Западная Европа и Северная Америка", - отметил управляющий директор инвестиционного дивизиона "Технологии и развитие" УК "РОСНАНО", руководитель Центра компетенций по цифровому моделированию Макар Герман. Он подчеркнул, что благодаря систематизации, стандартизации и оцифровки информации будут появляться новые успешные продукты с серьезным рыночным потенциалом.

В ноябре этого года Центр запустил портал Digital Materials Modelling (DMM). Он должен объединить огромные объемы разрозненной информации об исследовательских коллективах и их разработках в области прогнозирования перспективных веществ и материалов с заданными характеристиками. С помощью сервиса DMM будет выстроена единая система обмена знаниями, которая, в том числе, поспособствует разработке образовательных программ для молодых специалистов.

Еще одним направлением деятельности Центра является популяризация направления: недавно на платформе OpenSea были размещены NFT-токены, восьми 3D-моделей химических соединений, в том числе - перспективных материалов, полученных благодаря применению метода цифрового моделирования. Вырученные от реализации NFT средства планируется использовать для поддержки деятельности научно-исследовательских коллективов в области цифрового материаловедения.

Проблемы есть и в образовании, где преобладает эмпирическое материаловедение, отсутствует единая методика, используются ограниченные инструменты, нет инструмента трансформации новых разработок в бизнесы.

Для комплексного использования практических материаловедческих знаний требуются не только высококвалифицированные научные кадры, но и специалисты смежных специальностей, способные грамотно составить сопутствующую документацию: бизнес-модель, техническое задание, финансовый и инвестиционные проекты. Именно был инициирован пилотный образовательный проект "Материаловеды 2.0. От науки к продуктам и технологиям". Курс направлен на подготовку участников, способных комплексно сопроводить проект по разработке НИОКР до коммерческого использования. Образовательный трек стартовал на базе НИТУ МИСиС и был приурочен к проходящему в России "Году науки и технологий". Второй этап образовательной программы трека "Материаловеды 2.0" недавно запустился с преакселератора, участниками которого стали 55 человек. В течение месяца под руководством опытных менторов они прослушают четыре лекции, выполнят индивидуальные и групповые задания, а также пройдут серию воркшопов и итоговую защиту проектов - практических предложений для восьми портфельных компаний Группы "РОСНАНО". Лучшие участники образовательного трека приедут с финальными проектами на закрытие "Года науки и технологий" в образовательный центр "Сириус", где представят результаты перед экспертным жюри.

Фото: iStock

Запрос на повышение эффективности производства материалов является универсальным для большого количества стратегических отраслей. В большинстве случаев никто не задумывается о масштабе влияния материаловедения на традиционные, исторически сложившиеся производства.

Так, образовательная программа, разработанная Научно-образовательным центром МГТУ им. Н.Э. Баумана при поддержке Фонда инфраструктурных и образовательных программ, востребована предприятиями атомной промышленности. Новые кадры обеспечат производство трубопроводной арматуры с применением наномодифицированных композиционных материалов. Томский государственный университет также при поддержке Фонда запустил программу профессиональной переподготовки для специалистов химической отрасли, нацеленных на производство перспективных наноструктурных катализаторов и сорбентов. На данный момент в России подобные материалы практически не производят, при этом почти 90% химических процессов требуют применения катализаторов. Рынок зависит от экспортных поставок. COVID-19 обострил вопрос импортозамещения, что обеспечило запрос.

Новые материалы могут применяться и в пищевой продукции. Наноструктурированные ингредиенты применяются в производстве кондитерских изделий для сохранения долговременных вкусовых качеств продукта, увеличения срока хранения и снижения себестоимости. С 2022 года обучение разработке новой пищевой продукции с применением наноструктурированных ингредиентов в мицеллированной форме будет доступно на базе Уральского федерального университета.

Новые материалы уже являются частью огромного количества процессов, а расширение их применения сможет изменить технологический уклад. Главное, это реализация потенциала, дорога от науки к бизнесу никогда не была простой. Легкие, прочные, энергоэффективные, такие разные и применяемые в любых отраслях - новые материалы роднит между собой универсальность методов математического моделирования и их востребованность на рынке.