2017 год


Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2017 год 

Отделение нанотехнологий и информационных технологий 

Секция нанотехнологий

Разработан метод лазерной печати супергидрофобных текстур с многомодальной шероховатостью на поверхности политетрафторэтилена, предназначенный для создания микрофлюидных систем с управляемым процессом предконцентрирования анализируемого вещества (рис.1). Метод позволяет создавать водоотталкивающие текстуры с краевым углом смачивания выше 170о и гистерезисом контактного угла (~ 1о), как на плоских, так и вогнутых поверхностях с перепадом высот до 0.5 мм. 

                           а)                                                                  б)

Рисунок 1
а) Фотография капли водного раствора на текстурированной поверхности с контактным углом смачивания ~170о.
Представленные на врезках I – IV СЭМ изображения текстуры демонстрируют многоуровневую шероховатость её рельефа. 
б) Эволюция капли в процессе испарения на вогнутой супергидрофобной текстурированной поверхности.
Вогнутость поверхности обеспечивает самоцентрирование капли в процессе испарения
 

Zhizhchenko A., Vitrik O., Syubaev S., Kuchmizhak A. Laser-printed superhydrophobic evaporating drop concentrator //AIP Conference Proceedings. 2017. Т. 1874. №. 1. С. 040061.

 

Разработан хемочувствительный рецептор на основе легированных марганцем квантовых точек сульфида цинка покрытых органической оболочкой, предназначенный для регистрации растворенного в водной среде метана. Получен сенсорный отклик на воздействие метана в диапазоне концентраций 100-2000 ppm (рис.2а). Обнаружена высокая фотокаталитическая активность квантовых точек по отношению крастворенным в водной среде органическим соединениям. Показано, что скорость фотокаталитического разложения составляет 0.0341 с-1, что на два порядка выше, чем для эталонного фотокатализатора Degussa P25 (рис.2б).

   а)                       б)

Рисунок 2 - Характеристики квантовых точек сульфида цинка легированных марганцем в органических оболочках:
а) спектры люминесценции при воздействии различных концентраций метана;
б) скорость фотокаталитического разложения метиленового синего для квантовых точек в оболочках из меркаптоянтарной кислоты (МЯК) 
и глутатиона (G-SH)
 

Postnova I., Voznesenskiy S., Sergeev A., Galkina A., Kulchin Y., Shchipunov Y. Photonic materials prepared through the entrapment of quantum dots into silica //Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2017. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2017.09.020.

 

Доказана наносекундная кинетика затухания фотолюминесценции (рис.3а) в мультислойных наноструктурах со встроенными нанокристаллами (НК) β-FeSi2, подтверждающая возможность высокого быстродействия p-i-n диодов на их основе. Слои НК β-FeSi2 с напряженной кристаллической структурой обеспечивают достаточно интенсивную электролюминесценцию (рис.3б) уже при комнатной температуре и малых плотностях тока накачки. Предложен новый подход к кремниевой фотонике, в котором использование кремниевого p-i-n диода со встроенными мультислоями НК β-FeSi2, обеспечивает на одном кристалле излучательную рекомбинацию при 1.5 мкм, фотодетекцию до 1.8 мкм и модуляцию света. 

а)         б)

Рисунок 3 

а) Зависимости интенсивности фотолюминесценци от времени затухания в мультислойных наноструктурах со встроенными нанокристаллами β-FeSi2, измеренные в температурном диапазоне 4–40 К; 
б) Спектрэлектролюминесценции кремниевых p-i-n диодов со встроенными нанокристаллами β-FeSi2, измеренный приплотности тока накачки 5 А/см2 и комнатной температуре

A.V. Shevlyagin, D.L. Goroshko, E.A. Chusovitin, S.A. Balagan, S.A. Dotsenko, K.N. Galkin, N.G. Galkin, T.S. Shamirzaev, A.K. Gutakovskii, A.V. Latyshev, M. Iinuma, andY. Terai. A room-temperature-operated Si LED with β-FeSi2 nanocrystals in active layer: μW emission power at 1.5 μm // Journal of Applied Physics. 2017. № 121, 113101. 

 

Секция информационных технологий и автоматизации

Впервые разработан алгоритм запроса дополнительной информации в задачах диагностики процессов с неполной информацией, направленный на сокращение множества выдвигаемых гипотез. Алгоритм основан на выявлении дифференциаторов и отсечении его антидифференциаторов. Алгоритм предназначен для объективного определения запрашиваемой информацию в системах поддержки принятия решений с целью уточнения множества решений и состоит из пяти шагов: построение «рабочей» модели признаков по базе знаний; исключение из нее лишних признаков; поиск и исключение антидифференциаторов; поиск дифференциатора; ранжирование частичных дифференциаторов. 

Рисунок 4 - Алгоритм запроса дополнительной информации

Грибова В.В., Клещев А.С., Шалфеева Е.А. Метод решения задачи запроса дополнительной информации // Онтология проектирования. 2017. Т.7. №3(25). С. 310-322. DOI: 10.18287/2223-9537-2017-7-3-310-322.

Kleschev A.S., Shalfeeva E.A. Methods and Algorithms for Solution of Problem of Diagnostic Information Gathering // Открытые семантические технологии проектирования интеллектуальных систем. 2017. №7. С.261-264.

 

Предложен новый метод быстрого вычисления локального перемещения (6 степеней свободы) робота по сопоставленным 3D облакам точек, основанный  на совмещении внешних систем  координат, генерируемых по случайным выборкам точек. Получены сравнительные оценки эффективности метода по данным вычислительных экспериментов, которые подтверждают более высокую вычислительную производительность метода в сравнении с аналогами. Метод используется для визуальной навигации автономного робота.

V.A. Bobkov, S.V. Mel’man, A.P. Kudryashov. Fast computation of local displacement by stereo pairs // Pattern Recognition and Image Analysis. 2017. Vol. 27. No. 3. P. 458-465.  

 

Отделение физических наук 

Установлено, что слой таллия двухатомной толщины на кремнии обладает необычными электрическими свойствами. Он переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 0,96К, а при приложении магнитного поля становится изолятором, при этом его промежуточное состояние соответствует так называемому квантовому бозе-металлу (рис.5). Полученные результаты демонстрируют, какими свойствами могут обладать сверхтонкие пленки металлов в области низких температур.  

Рисунок 5
а) Температурная зависимость сопротивления двойного слоя таллия;
б) Фазовая диаграмма, TF, QM и SC обозначают области состояний термических флуктуаций, квантового металла и сверхпроводника

S. Ichinokura, L.V. Bondarenko, A.Y. Tupchaya, D.V. Gruznev, A.V. Zotov, A.A. Saranin, S. Hasegawa. Superconductivity in thallium double atomic layer and transition into an insulating phase intermediated by a quantum metal state // 2D Materials. 2017. Vol. 4. No.2. P.025020-10. 

 

На основе экспериментальных данных и результатов расчетов были определены атомная структура и электронные свойства двумерных соединений таллия (Tl)  со свинцом (Pb), висмутом (Bi), теллуром (Te) и селеном (Se) на кремнии Si(111). Хотя все соединения имеют одинаковую структуру, соединения Tl-Pb и Tl-Bi – металлы, а Tl-Te и Tl-Se – диэлектрики. Продемонстрирована возможность формирования планарных гетероструктур на основе этих соединений (рис.6). 

Рисунок 6
а) Структура двумерных соединений Tl-X на  Si(111), где Х – это Pb, Bi, Te, Se. Атомы Tl показаны красными шарами, атомы Х серыми шарами, атомы Si желтыми, серыми и белыми кругами;
б) Планарная гетероструктура, образованная доменами двумерных соединений Tl-Bi и Tl-Pb на поверхности Si(111)

A.V. Matetskiy, I.A. Kibirev, A.N. Mihalyuk, S.V. Eremeev, D.V. Gruznev, L.V. Bondarenko, A.Y. Tupchaya, A.V. Zotov, A.A. Saranin. Theory versus experiment for a family of single-layer compounds with a similar atomic arrangement: (Tl, X)/Si(111)√3x√3 (X = Pb, Sn, Bi, Sb, Te, Se) //  Phys.Rev.B. 2017. Vol. 96. Iss. 8. P. 085409-7.

 

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления

Посредством вычислительного эксперимента обнаружена сложная структура нестационарных течений газа при горении твердых пористых сред в условиях вынужденной фильтрации и свободной конвекции. Выявлено, что в случае принудительной фильтрации газ стремится огибать нагретую часть пористого объекта, предпочитая течь по холодным областям (рис.7а). Показано, что при естественной конвекции в начальный момент процесса в зоне горения и в её окрестностях возникают вихревые течения газа, которые могут существовать достаточно долго и сильно влияют на приток окислителя в зону реакции (рис.7б). 

Рисунок 7  Примеры поля скорости газа в пористом объекте при принудительной фильтрации (а) и при свободной конвекции (б) через некоторое время после начала процесса горения, зона зажигания выделена жирной линией

Левин В.А., Луценко Н.А. Двумерные течения газа при гетерогенном горении твердых пористых сред // Доклады Академии наук. 2017. Т. 476. № 1. C. 30-34.

 

Разработан метод формирования траекторий движения мобильных роботов в заранее неизвестной обстановке с препятствиями на основе информации, поступающей от их бортовых датчиков. Особенностью этого метода является формирование и коррекция в процессе движения гладких траекторий, описываемых сплайнами Безье (рис.8), что позволяет обеспечить высокоточное и высокоскоростное движение мобильных роботов по всем участкам траекторий.  

Рисунок 8 - Процесс формирования и коррекции траектории движения мобильного робота 

Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А. Метод формирования гладких траекторий движения мобильных роботов в неизвестном заранее окружении // Известия РАН. Теория и Системы Управления. 2017. № 4. С. 174–184.

 

Получено решение задачи о деформировании горизонтального плоского слоя сжимаемого материала, находящегося под действием изменяющихся со временем сдвиговых и сжимающих нагрузок. Рассмотрены условия пластичности Кулона–Мора и Мизеса–Шлейхера, учитывающие сжимаемость и вязкие свойства материала. Для решения системы дифференциальных уравнений в частных производных для компонент необратимых деформаций разработана конечно-разностная схема для пространственной области, увеличивающейся со временем. Указаны закономерности продвижения упругопластических границ, вычислены напряжения, деформации и их скорости, перемещения (рис.9). 

Рисунок 9 - Распределения компонент перемещений в упруговязкопластической среде в конечный момент времени для условия пластичности Кулона–Мора

Ковтанюк Л.В., Панченко Г.Л. О сдавливании тяжелого сжимаемого слоя упругопластической или упруговязкопластической среды // Известия РАН. Механика твердого тела. 2017. № 6. С.71-82.