Каждую неделю Роспатент выбирает одно из последних российских изобретений, которое, по мнению экспертов, представляет собой научный и практический интерес. В этой статье мы расскажем о нескольких таких разработках из области материаловедения и техники.
Нано-антибиотики на основе кобальта
Современные нанотехнологии позволяют получать новые материалы с мельчайшими размерами частиц, обладающие уникальными свойствами. Такие материалы находят широкое применение во всех областях – от электроники до биомедицины.
В последнее время внимание ученых привлекают материалы из наночастиц оксида кобальта. Их используют в газовых датчиках, литий-ионных батареях, конденсаторах, системах накопления энергии.
Кроме того, было обнаружено, что наночастицы оксида кобальта обладают высокой антибактериальной активностью против грамположительных и грамотрицательных бактерий. Например, к этому веществу очень чувствительны кишечная и синегнойная палочка, золотистый стафилококк и клебсиелла пневмония.
Еще полностью не исследован, но показывает хорошие результаты метод лечения лейшманиоза с помощью оксидных наночастиц. Лейшмании – это паразитические простейшие, которыми человек заражается от москитов. Болезнь сопровождается появлением язв, поражением внутренних органов, а современные препараты имеют много недостатков: побочные эффекты, высокая стоимость, токсичность и большая продолжительность терапии.
Учитывая, что резистентность патогенов к лекарствам усиливается, оксид кобальта имеет большой потенциал для биомедицины. Он также играет физиологическую роль – является кофактором (катализатором) витамина В12.
Однако синтез наночастиц оксида кобальта затруднен. Для получения материала в основном используются химические методы, при которых применяются токсичные вещества. Они приводят к образованию опасных побочных продуктов.
В мировом научном сообществе предпринимаются попытки поиска других способов синтеза. Например, рассматриваются более экологичные варианты получения наночастиц оксида кобальта из растений, но эти технологии отличаются сложностью, плохой управляемостью и их трудно масштабировать для серийного производства.
Российские ученые из ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук» (ИФПМ СО РАН) предложили новый метод получения перспективного материала: с помощью электрического взрыва кобальтовой проволоки (патент № 2 802 031).
Для получения наночастиц проволоку из кобальта помещают в вакуум в специальное устройство, заполняют его буферным газом (аргон или смесь аргона с кислородом), осуществляют электрический взрыв. Получается порошок со сферическими наночастицами кобальта. Содержанием кобальта в нанопорошке можно управлять, изменяя концентрацию кислорода в газовой смеси.
Эти частицы одновременно обладают антибактериальными и магнитными свойствами, что позволяет использовать их для магнитной сепарации, например, при обеззараживании жидкостей.
Данная технология помогает решить сразу несколько проблем: избежать образования токсичных отходов, снизить затраты времени и стоимость получения материала. Предложенный способ синтеза наночастиц открывает большие возможности для широкого спектра биомедицинских применений.
Ультразвуковой счетчик газа повышенной точности
Ультразвуковые счетчики газа пока нельзя назвать общеизвестными, но они имеют большой потенциал для определения расхода природного газа, пропана, бутана и других газов. Их преимуществом является то, что внутри прибора нет движущихся частей, что делает его надежным и независящим от загрязненности измеряемой среды.
Принцип действия таких счетчиков основан на том, что ультразвук, который пропускается по ходу движения газа и против его потока, отличается по скорости. Эта скорость пропорциональна скорости движения самого газа. Измеренная разность времени преобразуется в значение объемного расхода.
При этом используется 2 ультразвуковых излучателя, расположенных друг напротив друга по оси прибора. Они преобразуют электрические импульсы от вычислительного устройства в ультразвуковые импульсы. Между импульсами осуществляется прием ультразвуковых волн, прошедших через газовую среду, от одного излучателя к другому. Большинство ультразвуковых расходомеров работает в диапазоне частот от 20кГц до 1000 МГц.
Наличие двух излучателей на приеме и передаче, разнесенных в пространстве, приводит к возникновению погрешности учета газа из-за помех от паразитных акустических сигналов, к ложным срабатываниям вычислительного устройства, усложнению технической реализации счетчика.
Команда разработчиков из АО «Научно-производственное объединение «Радиозавод имени А.С. Попова» предложила свое решение этой проблемы: использовать в счетчике один ультразвуковой излучатель с узкой диаграммой направленности, сделанный по МЭМС (микроэлектромеханическая система) технологии на одном кристалле (патент № 2 796 499). Он обеспечивает прием и передачу ультразвуковых зондирующих импульсов, вычисляет время пролета ультразвуковых волн за счет встроенной схемы с алгоритмами цифровой обработки.
Ультразвуковые импульсы от излучателя МЭМС (поз.3 на рисунке) посылаются к отражателю (поз. 2) по V-образному каналу, а потом обратно к излучателю МЭМС. Такая конструкция позволяет повысить чувствительность и точность измерений расходомера газа. Восприимчивость к помехам и паразитные сигналы снижаются за счет уменьшения протяженности электрических цепей между ультразвуковым излучателем и вычислительным устройством.
Цифровой двойник нефтяной скважины
Цифровые двойники могут быть не только у людей, но и у промышленных объектов. Идея о цифровых двойниках впервые была высказана в 2002 году на конференции Мичиганского университета по промышленности, когда было предложено создать связь реального мира с виртуальным. Но на практике эта мысль была реализована только через 10 лет, когда американская компания «NASA» создала модель прогнозирования ресурса воздушных судов.
Цифровой двойник – это по сути копия реального объекта, интегрированная в электронную среду. Чтобы создать такую копию, можно использовать разную информацию об объекте, собирать ее с помощью всевозможных датчиков. А в качестве объекта могут выступать оборудование и технологические процессы.
Оборудование для добычи нефти и газа на месторождениях оснащается большим количеством датчиков. А мониторинг происходящих процессов может существенно повысить эффективность работы. Концепция «цифровых двойников» реальных технологических объектов позволяет выбирать оптимальные режимы работы, ставить виртуальные эксперименты, которые в реальности могут повредить оборудование.
Одну из таких моделей цифрового двойника, работающего на практике, предложили разработчики ПАО «НК «Роснефть» (патент № 2 801 699, авторы: Носков А.Б., Жданов А.Р., Бабич Р.В., Афанасьев А.В., Плотников Д.И., Былков В.В., Клюшин И.Г.).
Принцип работы этой системы заключается в следующем:
- данные собирают с датчиков, расположенных на скважине или замерной установке;
- определяется дебит скважины (ее производительность);
- из базы данных получают информацию о диаметре скважины и диаметре погружного электродвигателя;
- определяется пороговое значение дебита, делают его сравнение с измеренным;
- проводят моделирование рабочих параметров оборудования с помощью цифрового двойника;
- при необходимости удаленно изменяют режим работы оборудования, принимается решение о его оптимизации или замене.
Если тот или иной параметр отклоняется от нормы, цифровой двойник проинформирует сотрудников, которые примут меры. При этом повышается уровень промышленной безопасности. Моделирование технологических процессов в последующем может стать основой для обучения нейронных сетей для оптимального подбора оборудования и режима его работы.
Бессвинцовые порошки для 3D-печати
Практически все керамические материалы, применяемые в электротехнической отрасли для электронных датчиков, преобразователей, резонаторов, конденсаторов, сенсоров, изготавливаются из твердых растворов, основой которых служит свинец. Поляризационные свойства этого химического элемента и обеспечивают необходимые пьезохарактеристики керамики.
Но производство свинец-содержащих композиций неизбежно связано с загрязнением окружающей среды и вредным воздействием на живые организмы. Шихтовое сырье, испарение летучих свинцовых компонентов при термической обработке шихты, сброс сливных вод, – все это сопровождается выделением токсичных веществ.
Соединения свинца относятся к ядам с кумулятивным (накапливающимся) действием. Они отравляют человека, приводя к поражению практически всех жизненно важных органов, центральной нервной системы, крови, кожи и других. В связи с этим актуальным является вопрос исключения свинца из сегнетоэлектрических керамических материалов.
Инженеры-изобретатели из Госкорпорации «Росатом» предложили новую технологию получения бессвинцового керамического порошка на основе титаната бария, который можно использовать для 3D-печати сегнетоэлектрических изделий (патент № 2 801 240).
Для получения такого материала порошки карбоната бария и кальция, нанопорошки диоксида титана и диоксида циркония перемешивают в специальном устройстве для измельчения (аттриторе), добавляют изопропиловый спирт и размольные шары из диоксида циркония. Смесь, полученную в результате измельчения, просушивают, а затем нагревают и выдерживают при температуре 1000°С.
Затем материал подвергают спеканию и обрабатывают в низкотемпературной плазменной струе плазмотрона. В результате получается порошок со сферической формой частиц, который обладает хорошей текучестью и высокой насыпной плотностью.
_______________________________________________________________________________
Рассказываем про интеллектуальные права, кратко освещаем важные новости для бизнеса и делимся результатами своей работы. Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
_______________________________________________________________________________
Другие статьи, которые могут быть вам интересны:
Как запатентовать идею в России
Сколько стоит патент на изобретение, полезную модель, промышленный образец
Как самостоятельно зарегистрировать свой бренд в Роспатенте
Услуги патентного поверенного при регистрации интеллектуальной собственности