Участники направления рассчитают свойства новых конструкционных материалов для активных зон ядерных реакторов и перспективных термоядерных установок.

Почему это важно:
Ядерная, а в перспективе и термоядерная энергетика — одна из самых чистых и эффективных. Однако материалы, из которых создают ядерные реакторы, быстро ухудшают свои свойства под действием облучения. Использование реакторов станет более безопасным, если разработать новые, более устойчивые конструкционные материалы.

Для разработки новых материалов атомной техники часто необходимо знать параметры (например, характеристики точечных дефектов кристалла), которые определяются на пространственных масштабах порядка нескольких атомных размеров, вследствие чего во многих случаях их экспериментальное определение бывает затруднительно. Поэтому в настоящее время большое развитие получили методы компьютерного моделирования. В том числе активно применяются оптимизационные методы, основанные на применении алгоритма градиентного спуска, например метод молекулярной статики.

Участникам задачи предлагается реализовать метод молекулярной статики для расчета энергии образования и пространственной конфигурации точечного дефекта кристаллической решетки в различных металлах с помощью программного языка Python. Сходимость полученного решения необходимо проверить с помощью визуализации зависимостей энергии и пространственной конфигурации атомов модельного кристаллита от шага градиентного спуска и сравнить получаемые результаты с экспериментальными данными.

Для кого это направление:
Для тех, кому интересно теоретически предсказать свойства материала, прежде чем разработать его.

Роли в команде:
Физик: знание основ физики твердого тела, кристаллографии;
Программист: знание и умение программирования на языке Python;
Математик: знание основ численных методов и методов оптимизации.

Рекомендации по навыкам и компетенциям участников:
Знать курс физики, математики, информатики в рамках школьной программы 8–10 классов.

Рекомендуется повторить:
Строение твердых тел, методы оценки вычислительной сложности алгоритмов, вычисление погрешностей результатов измерений.

Cписок литературы и методические материалы
1.  Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике: Пер. с англ./ Под ред. С.А. Ахманова. – М.: Наука, 1990, 176 с.
2.  Плишкин Ю.М. Методы машинного моделирования в теории дефектов кристаллов В кн.: Дефекты в кристаллах и их моделирование на ЭВМ. – Л.: Наука, 1980. С. 77-99.
3. Реализация метода градиентного спуска на Python:
    https://ru.wikibooks.org/wiki/Реализации_алгоритмов/Градиентный_спуск

Участникам направления предлагается провести расчет теплопроводности полупроводниковых материалов, используемых в современной электронике, в рамках модели Каллуэя. В результате будут определены оптимальные характеристики устройств для их использования в приборах и элементах электроники.

Почему это важно:
Перегрев электронных устройств может необратимо ухудшить их свойства или даже привести в негодность. Основная характеристика материала, определяющая теплоперенос в нем, — это теплопроводность. Ее измерение и расчет крайне важны для улучшения общей эффективности приборов и устройств. Чем выше теплопроводность, тем быстрее материал будет отводить тепло от мест, где выделяется тепловая мощность в процессе работы устройства, и тем самым избегать перегрева в процессе работы. Ухудшить теплопроводность могут примеси, которые при этом порой специально вводятся в материал для улучшения его электропроводности. Нахождение баланса между электрическими и тепловыми характеристиками позволяет оптимизировать работу электронных устройств.

Для кого это направление:
Для тех, кому интересна физика, современная электроника и свойства кристаллов.

Роли в команде:
Физик: знание механики, представление о колебаниях решетки;
Математик: начальное представление об интегральном исчислении;
Программист: умение работать с циклами и читать документацию.

Список литературы и методические материалы
1. Берман Р. Теплопроводность твердых тел: Пер. с англ. – Мир, 1979. – Классическая книга по теплопроводности твердых тел.
2. Liu W., Balandin A. A. Thermal conduction in AlxGa1− xN alloys and thin films //J. Appl. Phys. – 2005. – Т. 97. – №. 7. – С. 073710.– в данной статье подробно описана модель виртуального кристалла в применении к сплаву нитрида алюминия-галлия.
3. Чернодубов Д.А., Майборода И.О., Занавескин М.Л., Инюшкин А.В. Особенности теплопереноса в гетероструктурах Al x Ga 1-x N/GaN на сапфире // Физика твердого тела. - 2020. - Т.62(4) - С.635-639.
https://www.researchgate.net/profile/Daniil-Chernodoubov/publication/340052718_Osobennosti_teploperenosa_v_geterostrukturah_Al-SUB-x-SUB-Ga-SUB-1-x-SUB-NGaN_na_sapfire/links/5f102075299bf1e548ba41e4/Osobennosti-teploperenosa-v-geterostrukturah-Al-SUB-x-SUB-Ga-SUB-1-x-SUB-N-GaN-na-sapfire.pdf  

Участникам направления предлагается провести анализ растений, произрастающих в заданной местности (город и его окрестности), которые можно использовать в качестве лекарственных средств: антисептиков, жаропонижающих, противовирусных и др. Выделить активные вещества, которые могут использоваться для получения антисептических препаратов. В результате будут предложены рецептуры антисептических растворов или мазей, а также технология их получения.

Почему это важно:
На протяжении всего пути развития медицины борьба с инфекциями является весьма сложной и злободневной задачей. Есть много способов убить бактерии и другие микроорганизмы, то есть живые клетки: в организме человека — с помощью антибиотиков, во внешней среде — с помощью органических растворителей и окислителей, кислот и щелочей, жесткого ультрафиолета, высокой температуры и др. Прямые эксперименты с вирусом COVID-19 показали, что меньше всего он живет в виде аэрозоля, распределенного по влажному воздуху: при влажности 65% половина его частиц погибает спустя 2,74 часа (время полужизни). Дольше всего он живет на пластике: при влажности 40% — 15,4 часа. Далее идут сталь (13,1 часа), картон (8,45 часа) и медь (3,4 часа).

Поскольку осевшая на какую-то поверхность вирусная частица может в любой момент подняться с нее, подхваченная потоком воздуха, который приходит в движение из-за проходящего человека, очевидно, что никакой материал дверей, стен, полов в общественном помещении не помешает заражению, если по нему время от времени проходят кашляющие люди, зараженные вирусом. Поэтому бороться можно лишь средствами личной гигиены. Во-первых, систематически обрабатывать антисептиками поверхности, за которые часто хватаются люди: дверные ручки, ручки тележек в магазине, клавиатуры банкоматов и платежных терминалов. А во-вторых, тщательнее мыть руки после того, как побывал в общественном здании. Соответственно, необходимые приспособления для санитарной обработки должны быть предусмотрены инструкциями по эксплуатации зданий с большим скоплением людей.

Таким образом, создание антисептических составов из доступных природных материалов является важной задачей для сохранения здоровья людей.

Для кого это направление:
Для тех, кому интересна биология, химия и фармацевтика.

Роли в команде:
Химик: базовые знания по общей химии, органической химии и биохимии;
Биолог: базовые знания в области ботаники, а также физиологии человека;
Технолог: базовые знания в области физики, математики и химии.

Список литературы и методические материалы
1. Медицинская вирусология: учебное пособие / И.И. Генералов, Н.В. Железняк, В.К. Окулич, А.В. Фролова, И.В. Зубарева, А.М. Моисеева, С.А. Сенькович, В.Е. Шилин, А.Г. Денисенко, А.Г. Генералова. Под ред. И.И. Генералова. - Витебск, ВГМУ, 2017.- 307 с.
2. Асептика и антисептика: Учебное пособие / В.А. Голуб, О.А. Косивцов.- Волгоград: Изд-во ВолгГМУ, 2019.- с.
3. Ториков, В. Е. Культивируемые и дикорастущие лекарственные растения : монография / В. Е. Ториков, И. И. Мешков. — Санкт-Петербург : Лань, 2019. — 272 с. — ISBN 978-5-8114-3534-0. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/118637.

Участники направления проведут расчеты материальных и энергетических балансов промышленных процессов, проведут оценку воздействия предприятий на окружающую среду и разработают проект промзоны с минимальными выбросами загрязнителей.

Почему это важно:
Для сохранения природных ресурсов и снижения влияния загрязняющих факторов промышленных предприятий на окружающую среду необходимо направлять материальные и энергетические потоки таким образом, чтобы отходы производства использовались как вторичное сырье, а производственные циклы были по возможности замкнутыми и соответствовали принципам «зеленой химии».

Для кого это направление:
Для тех, кому интересны современные тенденции химической и энергетической промышленности, вопросы экологии, устойчивого развития и экологического проектирования.

Роли в команде:
Химик: знание основ органического и неорганического синтеза, умение производить расчеты по уравнениям химических реакций;
Физик: знание законов сохранения энергии, понимание процессов взаимного превращения различных видов энергии, умение рассчитывать энергетические балансы процессов;
Эколог: знание о влиянии наиболее распространенных промышленных процессов и техногенных загрязнителей на окружающую среду. Владение общими сведениями о рециклинге.

Список литературы и методические материалы
1. Уломский Е.Н., Носова Э.В., Утепова И.А. и др. Органический синтез: практикум, 2020 – 114 с., раздел 8.1 https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/95324/1/978-5-7996-3117-8_2020.pdf
2. Глинка Н.Л. Общая химия. Глава XIII. http://lib.maupfib.kg/wp-content/uploads/2015/12/glinka_obshaja_himija.pdf
3. Вайнзихер Б.Ф. и др. Электроэнергетика России 2030: Целевое видение, 2008, 360 с. Разделы 3.3 – 3.5 и др. https://alpinabook.ru/catalog/book-elektroenergetika-rossii-2030/
4. Вурдова Н.Г. и др. Рециклинг, 2020 – 746 с. Разделы 1.1, 2.1, 3.1, 4.4, 8.6 и др.