Авторы:
Владимир Ракитин, Анастасия Баринова, Дарья Горячева

Как выглядит «твердое пламя»?

В привычном понимании пламя — это всегда раскаленная газообразная среда, которая образуется при горении. «Твердое пламя» — тоже процесс горения, только особенность его в том, что газообразные вещества (например, кислород) не являются обязательным условием для его осуществления. Это уникальное явление было открыто в 70-х гг. в Черноголовке ученым А. Г. Мержановым. Оно легло в основу нового способа получения твердых материалов разнообразного состава, который назвали самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).

Сам процесс СВС достаточно интересный и красочный. Например, чтобы получить твердый тугоплавкий материал карбид титана TiС, который можно использовать для изготовления деталей реактивного двигателя, смесь порошков титана и углерода (сажи) помещают в специальный цилиндр (реактор). Затем эту смесь зажигают раскаленной вольфрамовой спиралью и запускают процесс. Под действием высокой температуры спирали начинается химическая реакция между порошком титана и сажей с образованием карбида титана. При этом выделяется большое количество тепла, а сам процесс сопровождается свечением и изменением цвета в реакторе! Раскаленный продукт сверху прогревает и зажигает соседний нижний слой смеси порошка и процесс продолжается. Новый разогретый слой зажигает следующий снизу и так далее, а сам процесс уже распространяется самопроизвольно без помощи раскаленной спирали! Реакция протекает слой за слоем, это обычно видно по ярко светящейся волне (фронт горения), которая проходит сверху вниз по цилиндру. Это и есть «твердое пламя» — своеобразный процесс горения веществ в замкнутом пространстве при очень высокой температуре. За волной остается раскаленный продукт TiC, который постепенно остывает. И вот новый материал уже готов! Чаще всего продуктами такого метода синтеза являются тугоплавкие соединения и материалы на их основе (например, карбиды, нитриды, бориды и т. п.), которые не разрушаются при горении [1].

Проект позволяет художественно переосмыслить явление «твердого пламени» и привлекает внимание жителей Черноголовки и ее гостей к истории научного открытия А. Г. Мержанова. У каждого появляется возможность взаимодействовать с объектами дополненной реальности в городской среде. Например, можно понаблюдать за реакциями СВС в большом реакторе, который возникает во дворе жилых домов, или разукрасить их серые фасады в яркие цвета, мотивом которых служат химические превращения. Выбранное место в городе, к которому привязаны объекты, тоже не случайно. Дело в том, что жилой комплекс, который местные жители называют «мержановские дома», был построен в Черноголовке в конце 80х-начале 90х годов для сотрудников нового Института структурной макрокинетики (ИСМАН), директором которого был А. Г. Мержанов. В то время эти дома стали последним аккордом интенсивного строительства, которые не только улучшили социальную сферу в Черноголовке, но и украсили город. На сегодняшний день это самые высотные жилые дома (17 этажей), в которых проживает около полутора тысяч черноголовцев. Однако их фасады утратили былую свежесть и выглядят достаточно серо и невзрачно. Созданный цифровой слой в виде красочных трехмерных объектов и муралов в дополненной реальности не только позволяет украсить жилой район, добавляя ему уникальности, но и связать городскую среду с интересным научным открытием в Черноголовке, о котором мало кто знает.

[1] Амосов А. П., Боровинская И. П., Мержанов А. Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособие. / Под научной редакцией В. Н. Анциферова. — М.: Машиностроение-1, 2007.

Авторы:
Любовь Николенко, Екатерина Смайлова, Ксения Корепина

Проект приглашает зрителя исследовать перовскиты — перспективный класс материалов, названный журналом Science «восходящей звездой» в сфере преобразования солнечного света в электричество. Всего за 10 лет перовскитные солнечные элементы смогли достичь эффективностей, сопоставимых с эффективностью традиционных кремниевых солнечных батарей. В солнечных элементах перовскиты исследуются в качестве фотоактивного слоя. Именно здесь происходит главное превращение — солнечный свет преобразуется в носители заряда. Перовскиты — это общее название для соединений, сформированных тремя видами ионов. Используя различные комбинации элементов, исследователи могут создавать самые разнообразные перовскиты с широким спектром физических, оптических и электрических характеристик. Перовскиты, используемые в солнечных элементах, обычно состоят из катионов металлов (свинец или олово), анионов галогенов (хлора, брома, йода), а третьим компонентом может быть катион цезия или даже органический катион, такой как метиламмоний или формамидиний.

Несмотря на широкое разнообразие составов, есть то, что объединяет все перовскиты — одинаковая кристаллическая решетка, то есть пространственное расположение ионов друг относительно друга. Ее принято изображать с помощью воображаемых октаэдров, внутри, снаружи и на вершинах которых расположены ионы. В случае перовскитов для фотовольтаики такая трехмерная сеть октаэдров обуславливает их уникальные зарядово-транспортные свойства. При взаимодействии света с материалом возникают экситоны, которые распадаются на электроны и дырки. В перовскитах длина свободного пробега носителей заряда очень большая, а трехмерная сеть октаэдров позволяет переносить электроны и дырки в любом направлении одинаково эффективно.

Периодическая структура из октаэдров послужила источником вдохновения для создания проекта, визуализирующего исследуемый материал. Кроме того, перовскиты неразрывно связаны с локальным контекстом: черноголовские исследователи солнечных элементов на перовскитах являются одними из мировых лидеров в этой области.

Группа профессора Трошина П. А. из ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН является одной из лидирующих в мире в этой области. Группа сконцентрирована на решении проблем стабильности перовскитных солнечных элементов и задач повышения эффективности солнечных батарей. И хотя перед учеными еще стоит ряд задач, которые предстоит решить для дальнейшего развития перовскитных солнечных батарей, есть одна важная особенность перовскитов, которая несомненно позволит этим материалам перейти из области научных исследований в область технологий. Кристаллическая решетка перовскитов на самом деле не идеальна и в ней присутствуют дефекты, вызванные различными примесями. Однако, эта неидеальность не оказывает существенного влияния на эффективность преобразования солнечной энергии, как это происходит в случае традиционных кремниевых солнечных батарей, для которых ключевую роль играет чистота материалов. Эта особенность перовскитов идеальна для развития технологии производства батарей на их основе, поскольку позволяет снизить требования к чистоте материала, а, значит, сильно упростить процесс получения и значительно уменьшить стоимость. В этом и заключается «идеальная неидеальность» перовскитов, вынесенная в название проекта.

В данном проекте авторы предлагают зрителю попасть в фотоактивный слой солнечных элементов на перовскитах и взглянуть на него изнутри. Первая часть проекта позволяет исследовать перовскит с точки зрения электрона, прогуляться среди ионов, образующих его кристаллическую решетку. Вторая часть проекта изображает перовскит с точки зрения фотона. Здесь зритель может взаимодействовать с кристаллом, подобно тому, как это делают фотоны и запускать процесс образования носителей заряда.

Органические и гибридные наноматериалы: Получение, исследование, применение. Под ред. Разумова В. Ф., Клюева М. В. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2021. — 368 с. — ISBN 978−5-7807−1367−8. Глава1. Перовскитные солнечные батареи: текущий статус исследований и перспективы
https://j.eruditor.one/file/3 674 841/

Авторы:
Марьяна Лысенко, Мадина Султанова, Анна Горячева

Звуковая инсталляция с элементами дополненной реальности вдохновлена трёхглавой сосной, считающейся символом Черноголовки. Музыкальная композиция состоит из звуков леса — шума ветра, шуршания листвы, скрипа деревьев. Природные мотивы дополнены звуками, связанными с городом: фрагменты речи Семёнова, элементы музыки с концертов и фестивалей, которые проходили в Черноголовке, шумы лабораторных приборов. Выстраивается звуковое повествование, которое включает в себя разные годы и контексты, звуки, свидетелем которых могла быть эта сосна.

Визуальная часть представляет собой художественное трактование модели одного из значимых открытий наукограда — теорию цепных реакций, за которое Н.Н. Семёнов был удостоен Нобелевской премии.

Проект «‎Сновидения сосны‎‎» — это художественное осмысление событий и истории наукограда от местных жителей.

Авторы:
Роман Иванов, Елена Мартьянова

На гербе и флаге наукограда Черноголовка расположена трёхглавая сосна. Она была выбрана как символ единения в наукограде трёх ветвей естественных наук: физики, химии и биологии. Это реальное дерево, произраставшее на границе жилой и научной частей города, где располагаются институты. К сожалению, в 2016 году сосна погибла во время бури.

Проект воссоздаёт утерянный геральдической символ Черноголовки в дополненной реальности, акцентируя внимание на символизме трёх ветвей.

Химическую ветвь сосны маркирует фуллерен — усечённый икосаэдр из 60 атомов углерода, обладающий уникальными свойствами. Учёные Черноголовки научились использовать фуллерен в качестве капсулы для доставки лекарств в клетку, создавать на основе фуллеренов солнечные панели, батареи и аккумуляторы, а также противовирусные и противоаллергические средства [1−2]. В черноголовских институтах ведётся много передовых разработок в области химии, но именно фуллерен был выбран за красоту формы, узнаваемость и лаконичность.

Биологическую ветвь сосны можно узнать по парящим рядом с нею молекулам ДНК. Именно с поломками в ДНК учёные связывают возникновение спинальной мышечной атрофии, болезней Паркинсона, Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний. Молекулярные биологи Черноголовки исследуют механизмы таких поломок. Местные ученые ставят эксперименты на мышах и изучают потенциальные лекарства от болезней, лечение которых недавно казалось невозможным [3].

Физическую ветвь сосны легко распознать по серии идущих вдоль ветки взрывов. Это одновременно отсылка и к истории возникновения наукограда, начавшегося с научно-исследовательского полигона взрывчатых веществ Института химической физики, и к современным исследованиям, ведущимися в ФИЦ ПХФ и МХ и ИСМАНе. Сегодня черноголовские учёные взрывают, чтобы изучить свойства веществ в экстремальных состояниях и соединить материалы, которые невозможно подружить иначе. Уникальный технологический процесс сварки взрывом, разработанный в ИСМАНе, позволяет скрепить такие материалы как алюминий и сталь.

Проект показывает эволюцию науки и связь между прошлым и настоящим, между историей возникновения города и современными научными разработками мирового уровня, которые ведутся в Черноголовке.

1. doi.org/10.3390/microorganisms11030681
2. doi.org/10.1002/adfm.200 801 189
3. doi.org/10.1038/s41398−020−0854−2

Авторы:
Ольга Винокурова, Иван Касимов, Михаил Артемов, Кирилл Севастьянов, Дмитрий Фомин, Григорий Баханов

Техника: мурал, AR, звук

Проект ‎Сингулярность — попытка философски и визуально осмыслить сложные научные понятия. ОТО (общая теория относительности) является одной из непростых для понимания теорий, так как описываемые процессы протекают по непривычным для нас законам, нарушая наше представление об окружающем мире. В ходе работы над проектом команда смогла выстроить взаимосвязь визуальных рассуждений о том, к чему субъект в процессе деятельности (научной, философской, творческой и др.) может прийти и в какой момент стоит остановиться для того, чтобы путь стал осознанным созидательным актом жизнедеятельности человека.

Авторы:
Елена Фролова, Алина Подзорова

Как наука становится источником вдохновения?

Импульсом для формирования замысла проекта стало знакомство с открытием исследовательского центра Черноголовки нового композитного аэрогеля на основе графена. Это удивительный аэрогель, на 99% состоящий из воздуха. Он обладает уникальными свойствами сорбента и практическим применением — возможностью ликвидировать нефтяные пятна при катастрофах в море.

Графен — одна из аллотропных модификаций углерода. Одной из особенностей углерода является способность образовывать разнообразные структуры с уникальными свойствами, к которым помимо графена можно отнести также и углеродные нанотрубки. Состав у графена и углеродных нанотрубок одинаковый, однако свойства и строение отличаются. Графен был открыт российскими учеными Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2010 году, за что получили Нобелевскую премию. Начинали свой научный путь Гейм и Новоселов в Черноголовке.

В проекте в образе цифровой маски с пан-флейтой представлено многообразие форм углерода. Инструмент состоит из пустотелых трубок, напоминающих по строению углеродные нанотрубки. Цифровая маска символизирует аэрогель на основе графена и тефлона, способный стать защитой от загрязнений окружающей среды.

При загрузке маски и нажатии на трубки пан-флейты можно услышать мелодии из оперы А. Подзоровой «Периодическая система», созданной по мотивам книги итальянского химика Примо Леви, выжившего в Освенциме.

В проекте Елены Фроловой пересекаются три составляющих определения культуры — это знания о мире (наука), отношение человека к миру (искусство) и передача знаний (просвещение и образование). И такая историческая параллель связывает проект с особенностями места — наукограда Черноголовка. Здесь жили и живут люди, которые совершают открытия, чтобы этот мир стал совершеннее и безопаснее.