Разработаны теоретические основы исследования структуры и свойств нанокристаллических материалов методами молекулярной динамики и молекулярной статики с использованием модельных потенциалов межатомных взаимодействий и расчетов «из первых принципов». Развит метод расчета средних энергий границ зерен и тройных стыков в нанокристаллических материалах. На примере меди определен вклад тройных стыков в избыточную энергию и диффузию по межкристаллитной области в нанокристаллических металлах.

Прямыми диффузионными экспериментами, расчетами диффузионных характеристик из данных по кинетике диффузионно-контролируемых процессов и компьютерным моделированием зависимости термодинамических характеристик границ зерен от избыточного объема показано, что высокие скорости массопереноса в наноструктурных металлах, полученным воздействием больших пластических деформаций, связаны не с размером зерен, а с неравновесным высокоэнергетическим состоянием их внутренних границ раздела.

Совместно с Институтом физики твердого тела РАН установлено, что в слоистых сверхпроводящих композиционных материалах системы Cu-TiNb и Cu-Nb-TiNb, получаемых с применением больших пластических деформаций при повышенных температурах в вакууме, процессы фазообразования интерметаллидов на межслойных границах определяют механические свойства и технологичность получения таких материалов. При этом процессы образования и роста интерметаллидов в исследованных системах при температурах ниже некоторой критической контролируются зернограничной диффузией, а выше данной температуры – объемной. На основании полученных результатов оптимизированы технологические режимы формирования рассматриваемых композитов, имеющих перспективу для широкого применения в технике.

В совместных работах с Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН показано, что в жаропрочных интерметаллидных сплавах, перспективных для применения в качестве материалов для лопаток газотурбинных двигателей самолетов нового поколения, легирование тугоплавкими и редкоземельными элементами обеспечивает формирование наноразмерных фаз, стабилизирующих дендритную монокристаллическую структуру и упрочняющих меж-фазные границы. Разработаны рекомендации и получены новые сплавы с улучшенными служебными характеристиками.

По результатам фундаментальных исследований в период 2005-2008 гг. изданы две монографии: Yu.R. Kolobov, R.Z. Valiev, Grabovetskaya G.P. et.al. «Grain boundary diffusion and properties of nanostructured materials» (Cambridge International Science Publishing, 2007) и Колобов Ю.Р., Каблов Е.Н., Бунтушкин В.П., Козлов Э.В. и другие «Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнением» (Издательство МИСиС, 2008). Опубликовано 193 статьи в российских и зарубежных журналах.

Разработаны высокопроизводительные экономичные методы формирования субмикрокристаллических и наноструктурных состояний в металлах и сплавах, сочетающие сортовую и винтовую прокатку с использованием оригинальных температурно-скоростных интервалов, энергосиловых параметров и траекторий деформации. Проводятся опытно-конструкторские работы и организуется серийное производство полуфабрикатов и наноструктурных медицинских титановых сплавов, в том числе и технически чистого титана (сплава ВТ1-0) без вредных для живого организма легирующих элементов для изготовления медицинских имплантатов. В перспективе планируется довести объем производства до соответствующего потребностям российских предприятий в ультрамелкозернистом и наноструктурном титане для изделий медицинского назначения. Ведутся поставки заготовок промышленного сортамента во Всероссийский научно-исследовательский проектный институт медицинского инструмента (г. Казань) для освоения в серийном производстве имплантатов и медицинских инструментов на Казанском медико-инструментальном заводе.

Разработаны методы модификации поверхности титана и его сплавов с целью улучшения биологических свойств путем формирования защитных биоинертных и биоактивных покрытий. В ФГУ «Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена» успешно проведены предклинические испытания имплантатов с такими покрытиями. Проводятся работы по запуску опытно-промышленного участка по нанесению биоинертных и биоактивных покрытий.

Разработана оригинальная технология синтеза нано-гидроксилапатита (НГАП) в виде водных и спиртовых коллоидов, суспензий и гелей различной плотности. Гидроксилапатит является основной составляющей костной ткани и является биологически совместимым материалом. Использование спиртового коллоида НГАП позволяет оптимизировать процесс получения шликерных биоактивных покрытий и получить высокие уровни прочности и адгезии покрытий без высокотемпературных отжигов. На сегодняшний день завершаются работы по запуску участка опытно-промышленного производства нанокристаллического гидроксилапатита в формах порошка, водных и спиртовых суспензии и гелей заданной концентрации. Разработка защищена патентом РФ.

В настоящее время наногидроксилапатит используется в качестве одного из компонентов стоматологического материала нового поколения «Нанофлюор», который был разработан ЗАО «Опытно-экспериментальный завод «ВладМиВа» (г. Белгород). Использование нанодисперсного коллоидного гидроксиапатита способствует реминерализации дентина глубокой кариозной полости и нормализации состояния пульпы зуба. Предполагаемые объемы производства препарата «Нанофлюор» – 10 000 упаковок в месяц. В 2008 годы на данный препарат был получен государственный заказ.

Фундаментальные исследования:

o разработка физических принципов упрочнения и пластификации металлов, сплавов и композитных материалов технического и медицинского применения путем формирования субмикрокристаллического  и наноструктурного состояний, в том числе воздействием пластической деформацией в сочетании с традиционными способами механотермической обработки;

o разработка научных основ создания биокомпозитов «наноструктурный металл – биоактивное/биоинертное покрытие»;

o исследования закономерности и физических механизмов лазерно-индуцированной поверхностной модификации металлов и сплавов. Первые работы по импульсной лазерной обработке титана, его сплавов и других материалов в Центре НСМН   БелГУ  были опубликованы сотрудниками Центра  в 2014 году, а в 2017 данные исследования были положены в основу кандидатской диссертации  аспиранта БелГУ Жидкова М.В.(научный руководитель — проф.Колобов Ю.Р.) 

o экспериментальное и теоретическое исследование структуры и свойств наноматериалов методами компьютерного моделирования, сочетающих в себе расчёты из «первых принципов», молекулярную-динамику с использованием оригинальных потенциалов межатомных взаимодействий и методы конечных элементов.

Прикладные исследования:

Прикладные исследования в области медицинского материаловедения  с момента образования Центра проводились  в содружестве с медицинским факультетом (декан факультета - проф. Жернакова Н.И.), который  к настоящему времени вырос до медицинского института в структуре НИУ « БелГУ»,   и  с холдингом НПО «Владмива»,г.Белгород (генеральный директор — проф. НИУ «БелГУ» Чуев В.П). Кроме этого проводятся совместные работы с НИИ нейрохирургии им.Н.Н.Бурденко (г.Москва), НМИЦ радиологии,г.Москва ( генеральный директор — главный онколог РФ, академик РАН Каприн А.Д.) и другими медицинскими учреждениями РФ в следующих направлениях:

o разработка технологических процессов и оборудования для получения объемных металлических наноструктурных материалов для использования в медицине и технике;

o освоение в клинической практике биоинертных и биоактивных имплантатов для использования в травматологии, ортопедии, стоматологии и кардиохирургии;

o разработка технологических процессов и оборудования для синтеза наногидроксилапатита для использования в лечебно-профилактических препаратах в стоматологии и нанесения биоактивных покрытий на хирургические, стоматологические и ортопедические имплантаты. 

o разработка технологических режимов лазерно-индуцированной поверхностной модификации металлов и сплавов, в том числе медицинского (в качестве имплантов, деталей конструкций эндопротезов и др.) и технического (упрочнение деталей конструкций газотурбинных двигателей в энергетическом и авиационном машиностроении) применений. В этом направлении Центром НСМН под руководством проф. Колобова Ю. Р. были выполнены следующие  ориентированные на практическое использование результатов проекты :

-Разработка научных основ создания и прогнозирования работоспособности текстурированных, поверхностно-модифицированных ГПУ сплавов на основе титана и магния» выполнен в БелГУ, (госзадание  № 3.1492.2014/K, 2014-2016гг)

-Исследование закономерностей и механизмов формирования границ раздела и структуры композиционных покрытий на поверхности титановых сплавов при комбинированном воздействии ультракоротких лазерных импульсов и микроплазмы дугового разряда ( госзадание № 3.3144.2017/ПЧ, 2017-2019 гг)