2012 год


Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2012 год

 

Отделение нанотехнологий и информационных технологий РАН 

Секция информационных технологий и автоматизации 

28*. Когнитивные системы и технологии, нейроинформатика и биоинформатика, системный анализ, искусственный интеллект, системы распознавания образов, принятие решений при многих критериях

Разработан метод оценки содержания хлорофилла в море по глубине на основе спутниковой информации о характеристиках поверхности. Метод основан на модели функционирования фитопланктона в вертикальном столбе воды. Модель состоит из системы уравнений "реакция-диффузия", учитывает многовидовую структуру сообщества и основные факторы среды: минеральное питание, освещенность и температуру. Установлено, что связь плотности хлорофилла в поверхностном слое с его содержанием в фотическом слое немонотонна из-за пространственной неоднородности. 
[1] Абакумов А.И., Израильский Ю.Г. Влияние условий среды на распределение фитопланктона в водоеме // Математическая биология и биоинформатика. 2012. Т.7. №1. С.274-283. 
[2] Абакумов А.И. Устойчивость в моделях жизнедеятельности фитопланктона // Вестник НГУ (серия: информационные технологии). 2012. Т.10. №1. С.24-32. 
[3] Абакумов А.И., Пак С.Я. Сосуществование видов в микробном сообществе. Модельное исследование // Информатика и системы управления. 2012. №3. С.15-24.

Рисунок 1. Слева - характерная модельная динамика объемной концентрации (мг/м3) хлорофилла для Японского моря с распределением по глубине. 
По горизонтальной оси указано время в годах, по вертикальной - глубина в метрах. 
Справа - зависимость конечного равновесного состояния сообщества от выбора начальной концентрации биомасс фитопланктона. 
По осям - концентрации биомасс видов (г/м3).

Впервые разработан алгоритм формирования баз медицинских знаний для практически полезной и хорошо интерпретируемой (практикующими врачами) онтологии медицинской диагностики, приближенной к реальной. Проведено экспериментальное исследование свойств этого алгоритма на модельных данных в рамках разработанного общего подхода к проведению компьютерных экспериментов. 
[1] Клещев А.С., Смагин С.В. Задачи индуктивного формирования знаний для онтологии медицинской диагностики // Научно-техническая информация. Сер.2. М.: ВИНИТИ РАН. 2012. №1. С.9-21. 
[2] A.S. Kleshchev and S.V. Smagin. Problems of inductive formation of knowledge in the ontology of medical diagnosis // Automatic Documentation and Mathematical Linguistics. 2012. Volume 46. Number 1. Pp. 8-21.

Рисунок 2. Оценки внутренних свойств алгоритма формирования баз медицинских знаний для онтологии медицинской диагностики, 
приближенной к реальной, для случаев хорошей (вверху) и плохой (внизу) разделимости заболеваний.

Впервые разработаны модели, методы и интернет-комплекс для автоматизации создания обучающих систем с виртуальной реальностью. Основная идея заключается в замене реализации (на языке программирования) виртуального мира обучающей системы на формирование ее проекта по онтологии. Далее этот проект интерпретируется в функционирующее приложение. 
[1] Грибова В.В., Федорищев Л.А. Обучающие виртуальные системы и средства их создания // Вестник информационных и компьютерных технологий. 2012. №3. С. 48-51. 
[2] Грибова В.В., Федорищев Л.А. Интернет-комплекс для создания обучающих систем с виртуальной реальностью // Дистанционное и Виртуальное Обучение. 2012. № 7. С. 4-12. 
[3] Gribova V.V., Fedorischev L.A. The architecture of Internet software environment for creating teachware with virtual reality // Communications in Computer and Information Science. Springer Berlin Heidelberg. 2012. Vol. 304. Pp. 394-399.)

Рисунок 3. Архитектура и среда функционирования обучающей системы.

Проведен анализ характеристик родов микроводорослей залива Петра Великого (биоразнообразие, характерное сечение рассеяния клеток, пространственно-временное распределение видового состава, доминирующие и вредоносные виды), который позволил осуществить постановку задачи распознавания видового состава фитопланктона по данным дистанционных спутниковых оптических измерений. 
[1] Алексанин А.И., Ким В., Орлова Т.Ю., Стоник И.В., Шевченко О.Г. Фитопланктон залива Петра Великого и задача его дистанционного зондирования // Океанология. 2012. Т.52. №2. С.324-331.

Рисунок 4. Среднемесячная изменчивость характерного сечения водорослей в пробах (слева) 
и графики изменчивости относительной концентрации четырех лидирующих по биомассе водорослей, 
упорядоченные по возрастанию их суммарной относительной биомассы.

Секция нанотехнологий 

*. Нанотехнологии, нанобиотехнологии, наносистемы, наноматериалы, нанодиагностика, наноэлектроника и нанофотоника

Впервые разработан аналитический функциональный метод теории возмущения формы поверхности для анализа и моделирования квантовых характеристик систем носителей зарядов в ограниченных пространственных нанообъемах произвольной формы, который позволяет свести задачу нахождения поправок к волновой функции к простому интегрированию по объему. Метод позволяет прогнозировать влияние формы нанообъекта на энергетический спектр и квантовые состояния его носителей зарядов и может быть использован для расчета нелинейно-оптических характеристик нанокомпозитных сред. 
[1] Vladimir Dzyuba, Yurii Kulchin, Valentin Milichko. Photonics of Heterogeneous Dielectric Nanostructures // Nanocomposites - New Trends and Developments. Farzad Ebrahimi (Ed.) / Croatia. Rijeka: InTech Open Access Publisher. 2012. Chapter 15. Pp.1-28. DOI 10.5772/50212. 
[2] Vladimir Dzyuba, Yurii Kulchin and Valentin Milichko. Effect of the shape of a nano-object on quantum-size states // Journal of Nanoparticle Research. 2012. Volume 14. Issue 11. DOI: 10.1007/s11051-012-1208-7.

Открыто, что наночастицы из SiO2 внедренные в жидкую диэлектрическую матрицу, обладают гигантской оптической нелинейностью в слабых полях лазерного излучения видимого диапазона с аномальной зависимостью от интенсивности излучения. Этот эффект может быть использован для создания новых низкопороговых оптически нелинейных материалов с управляемыми оптическим излучением характеристиками. 
[1] Vladimir Dzyuba, Yurii Kulchin, Valentin Milichko. Photonics of Heterogeneous Dielectric Nanostructures // Nanocomposites - New Trends and Developments. Farzad Ebrahimi (Ed.) / Croatia. Rijeka: InTech Open Access Publisher. 2012. Chapter 15. Pp.1-28. DOI 10.5772/50212.

Рисунок 5. Зависимости нелинейных частей коэффициента поглощения и показателя преломления от интенсивности излучения.

Впервые осуществлен синтез тонких пленок магнетита на химически окисленной поверхности кремния путем термического осаждения железа в атмосфере кислорода в диапазоне температур подложки от 200 до 400°С. Установлено, что при температуре синтеза 300°С формируются поликристаллические пленки с ярко-выраженной (311) текстурой зерен с максимальной приведенной остаточной намагниченностью. Указанный метод полностью совместим с методом молекулярно-лучевой эпитаксии кремния и может быть использован для выращивания приборных структур кремниевой спинтроники. 
[1] (В.А. Викулов, В.В. Балашев, Т.А. Писаренко, А.А. Димитриев, В.В. Коробцов. Влияние температуры синтеза на структурные и магнитные свойства пленок Fe3O4 на поверхности SiO2/Si(001) // Письма в Журнал технической физики. 2012. Т. 38. Вып. 7. С. 73-80.

Обнаружено влияние подслоя монослойной прослойки на механизм роста пленки и ее стабильность. Рост пленки меди на монослое кремния (псевдопослойный - перемешивание) и рельеф пленки меди (островковый - гладкий) зависит от типа подслоя из железа и кремния (трехслойная пленка железо-кремний-железо или силицид железа), находящемся под монослоем кремния. Результаты важны для создания материалов и приборов спинтроники на основе наноструктур из магнитных и немагнитных материалов. 
[1] Н.И. Плюснин, Н.А. Тарима, В.М. Ильященко, С.А. Китань. Модификация монослойной прослойки нижележащим подслоем и ее влияние на механизм роста пленки // Письма в журнал технической физики. 2012. Том 38. Вып. 7. С. 48-55.

Рисунок 6. Картины атомно-силовой микроскопии поверхностного рельефа пленки меди (7 монослоев) после роста 
на монослое кремния, лежащем на подслое (4-5 монослоев) из железа и кремния на атомно-гладкой подложке Si(001): 
a - образец № 1 (подслой из трехслойной пленки железо-кремний-железо), 
b - образец № 2 (подслой из однородного силицида железа). 
Размер сканов: 1x1 ηm.

Созданы кремниевые светодиоды со встроенными в р-слой кремния нанокристаллитами (НК) beta-FeSi2 с использованием методов твердофазной эпитаксии (ТФЭ) и комбинации ТФЭ и реактивной эпитаксии (РЭ). В светодиодах с НК, сформированными комбинацией ТФЭ и РЭ, наблюдается заметная электролюминесценция (ЭЛ) до температуры не выше 70 К, а высококачественные бездефектные светодиоды с НК, сформированные методом ТФЭ, впервые продемонстрировали интенсивную ЭЛ при 300 К в диапазоне энергий 0.78-1.08 эВ при плотностях тока накачки менее 1 А/см2
[1] Galkin N.G., Chusovitin E.A., Goroshko D.L., Shevlyagin A.V., Saranin A.A., Shamirzaev T.S., Zhuravlev K.S., Latyshev A.V. Room temperature 1.5 ηm light-emitting silicon diode with embedded β-FeSi2 nanocrystallites // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101. Pp. 163501-4.

Рисунок 7. Спектры электролюминесценции, измеренные при прямом и обратном смещении 
при комнатной температуре и плотности тока равной 4 А/см2
На вставке приведена зависимость суммарного сигнала электролюминесценции от плотности тока.

Отделение физических наук РАН 

6. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости

Исследованы процессы самоорганизации фуллеренов на поверхности Si(111)4 1-In в ходе осаждения при комнатной температуре и в результате последующего отжига. Установлено, что фуллерены образуют линейные цепочки с максимальной длиной в восемь молекул. Показано, что отжиг приводит к переходу фуллеренов в стабильное адсорбционное состояние и сопровождается вытеснением атомов индия. Обнаруженное упорядочение фуллеренов на реконструированной поверхности кремния открывает принци-пиальную возможность использования таких систем в молекулярной электронике. 
[1] V.G. Kotlyar, D.A. Olyanich, T.V. Utas, A.V. Zotov, A.A. Saranin. Self-assembly of C60 fullerenes on quasi-one-dimensional Si(111)4 1-In surface // Surface Science. 2012. Vol. 606. P. 1821-1824.

Рисунок 8. Микроскопическое изображение молекулярных цепочек фуллеренов на поверхности Si(111)4x1-In.

 

8. Актуальные проблемы оптики и лазерной физики, в том числе достижение предельных концентраций мощности и энергии во времени, пространстве и спектральном диапазоне, освоение новых диапазонов спектра, спектроскопия сверхвысокого разрешения и стандарты частоты, прецизионные оптические измерения, проблемы квантовой и атомной оптики, взаимодействие излучения с веществом

Разработан и практически реализован экспериментальный макет интерферометрического автокоррелятора на основе линейного фотогальванического эффекта, индуцируемого в кристалле Bi12Ti20, предназначенный для детектирования и регистрации параметров ультракоротких импульсов. С применением автокоррелятора выполнено измерение длины когерентности фемтосекундного (100 фс) импульса на длине волны 400 нм. 
[1] A.I. Grachev, R.V. Romashko, Yu.N. Kulchin, S.S. Golik, E. Nippolainen and A.A. Kamshilin. Amplitude autocorrelation of femtosecond laser pulses using linear photogalvanic effect in sillenite crystals // Laser Physics. 2012. Vol. 22. No. 6. Pp. 1064-1069.

Рисунок 9. Автокорреляционная функция, полученная для фемтосекундного импульса 
длительностью 100 фс с помощью автокоррелятора на основе ФГЭ.

При исследовании временной эволюции интенсивностей спектральных линий оптического пробоя, генерируемого на поверхности жидкости лазерными импульсами фемтосекундной длительности, установлены оптимальные режимы возбуждения линейчатого спектра плазмы и времена регистрации максимального контраста эмиссионных линий для примесей Al, Ba, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, Zn в воде. Это позволило повысить предел обнаружения в 6.4-200 раз по сравнению с методом возбуждения плазмы лазерными импульсами наносекундной длительности. 
[1] S.S. Golik, O.A. Bukin, A.A. Ilyin, E.B. Sokolova, A.V. Kolesnikov, M.Yu. Babiy, Yu.N. Kulchin, A.A. Galchenko. Determination of detection limits for elements in water by femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy // Journal of Applied Spectroscopy. 2012. Vol. 79. Issue 3. Pp. 471-476.

Рисунок 10. Блок-схема экспериментальной установки, в нижней части указаны полученные пределы обнаружения 
в методе фемтосекундной лазерной искровой спектроскопии.

 

9. Фундаментальные основы лазерных технологий, включая обработку и модификацию материалов, оптическую информатику, связь, навигацию и медицину

Разработан новый полимерный материал для голографической записи информации на основе антраценсодержащих соединений β-дикетонатов дифторида бора, не требующий мокрой постэкспозиционной обработки, со следующими характеристиками: диапазон длин волн записи (λ) 330-440 нм, разрешающая способность метода до 2500 лин/мм, дифракционная эффективность (η) более 60%, время жизни голограмм более 6 мес. (рис. 9). Низкий порог нелинейности материала (5 Вт/cм2) позволяет использовать его для создания функциональных элементов управления типа свет-свет. 
[1] Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Жижченко А.Ю. и др. // Оптика и спектроскопия. 2012. Том 112. №4. С. 580-585.

Рисунок 11. Оптические характеристики фоторегистрирующего материала на основе нового класса 
фотоактивных антраценсодержащих соединений β-дикетонатов дифторида бора: 
а) зависимость коэффициента поглощения (α) исходного (кривая 1) и экспонированного (кривая 2) материала от длины волны излучения (λ), 
б) амплитудно-частотная характеристика материала.

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН 

Секция механики 

19. Общая механика, динамика космических тел, транспортных средств и управляемых аппаратов, биомеханика, механика жидкости, газа и плазмы, неидеальных и многофазных сред, а также механика горения, детонации и взрыва

Численно изучены особенности распространения детонационной волны в сверхзвуковом потоке стехиометрической водородно-воздушной смеси в плоских каналах постоянного и переменного сечения с целью определения условий, обеспечивающих стабилизацию детонации. Для различных чисел Маха входящего потока определены геометрические характеристики канала, обеспечивающие стабилизацию в нем детонационного горения. Исследовано влияние числа Маха потока, энергии дополнительных разрядов и их локализации на процесс стабилизации волны детонации в плоском канале с параллельными стенками. 
[1] Журавская Т.А., Левин В.А. Исследование некоторых способов стабилизации детонационной волны в сверхзвуковом потоке // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2012. №6. С.126-136.

20. Механика твердого тела, физика и механика деформирования и разрушения, механика композиционных и наноматериалов, а также трибология

Получено решение последовательности краевых задач теории больших деформаций материалов с упругими, пластическими и вязкими свойствами, связанной с вязкоупругим деформированием и определением момента времени и места возникновения пластического течения, развитием данного течения, последующей разгрузкой среды, содержащей одиночный сферический дефект сплошности. Рассчитаны уровень и распределение остаточных напряжений в окрестности дефекта и его итоговый размер. 
[1] Буренин А.А., Ковтанюк Л.В., Мурашкин Е.В. К упрочнению материалов за счет предварительной обработки интенсивным гидростатическим сжатием // Известия РАН. Механика твердого тела. 2012. №6. С.80-86.

Получено точное решение краевой задачи теории больших упруговязкопластических деформаций о развитии вязкопластического течения в тяжелом слое материала, находящегося на наклонной плоскости и подвергнутого нагружению на свободной поверхности с последующим мгновенным снятием нагружающих усилий. Такое разрывное изменение краевых условий вызывает распространение в среде поверхности разрыва напряжений, называемой волной разгрузки. Рассмотрено взаимодействие волны разгрузки с упругопластической границей и ее отражения от закрепленной плоскости и свободной поверхности. 
[1] Буренин А.А., Ковтанюк Л.В., Кулаева Д.В. О взаимодействии одномерной волны разгрузки с упругопластической границей при ее распространении в упруговязкопластической среде // Прикладная механика и техническая физика. 2012. Т. 53. № 1. С.105-113.

 

Секция проблем машиностроения и процессов управления 

24. Теория систем, общая теория управления сложными техническими и другими динамическими системами, в том числе единая теория управления, вычислений и сетевых связей, а также теория сложных информационно-управляющих систем, групповое управление и распределенное управление

Рассмотрены реализации спектров электромагнитного излучения (ЭМИ) ответственного электроэнергетического оборудования как нестационарного случайного процесса. Выявлены принципы эффективной селекции частотных диапазонов ЭМИ, обладающих наибольшей информативностью и помехозащищенностью с точки зрения диагностики технического состояния изоляции высоковольтного оборудования, основанные на резонансных свойствах элементов трансформаторного оборудования как высокодобротной резонансной высокочастотной системы. 
[1] Киншт Н.В. Интерпретация свойств спектров электромагнитных излучений высоковольтного оборудования // Известия Академии наук. Сер. Энергетика. 2012. № 5. С.30-37.

Рисунок 12. Фрагменты частотно-временных характеристик электромагнитного излучения высоковольтного силового трансформатора.

25. Человеко-машинный симбиоз, интеллектуальное управление, управление в неопределенных средах и управление в междисциплинарных моделях организационных, социальных, экономических, биологических и экологических систем

Разработаны основы методологии управления техногенными рисками сложных систем ответственного назначения. Разработан и исследован метод моделирования и оценки техногенных рисков при дефиците информации о возможных состояниях системы и факторах, влияющих на качество ее функционирования. Предложена стратегия управления рисками на основе мониторинга технического состояния и индивидуального прогнозирования процессов изменения параметров системы. Теоретическая новизна предложенных решений связана с использованием основных идей функционально-параметрического подхода теории надежности и соответствующей модификации теории рисков. 
[1] Абрамов О.В. Анализ и прогнозирование техногенных рисков // Информатика и системы управления. 2012. № 3. С.97-105.

26. Управление движением, управление в энергетических и транспортных системах, управление производством (автоматизация проектирования, автоматизация технологических процессов, логистика), мультидисциплинарная координация и управление в глобальных производственных системах, а также кооперативное управление

Разработан метод синтеза системы автоматического формирования программных сигналов движения схвата многозвенного манипулятора. Этот метод позволяет задавать максимально возможную переменную скорость перемещения схвата манипулятора на отдельных участках пространственных траекторий без снижения заданной динамической точности управления с учетом текущей конфигурации многозвенного манипулятора и возможности входа в насыщение его приводов. 
[1] Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А., Коноплин А.Ю. Метод синтеза системы автоматического управления режимом движения схвата манипулятора по сложным пространственным траекториям // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. №6. С.47-54.

Рисунок 13. Обобщенная структурная схема системы автоматического формирования 
желаемой скорости движения СТС манипулятора по заданной траектории.

Выполнено обоснование класса моделей асимптотически устойчивых по динамической группе уравнений двухкомпонентных инерциальных навигационных систем (2D-ИНС) и предложены способы преобразования трехкомпонентных ИНС (3D-ИНС), интегрированных со спутниковыми и астронавигационными системами, в 2D-ИНС с сохранением всех функций и возможностей исходной интегрированной системы на базе 3D-ИНС, включая функцию оценки напряженности гравитационного поля Земли (ГПЗ), а при известном ГПЗ - возможности построения высокоточной навигационной системы, инерциальный блок которой содержит только гироскопические датчики угловых скоростей. 
[1] Девятисильный А.С. Модель векторной гравиметрии на базе корректируемой двухкомпонентной инерциальной навигационной системы // Журнал технической физики. 2012. Т.82. Вып. 12. С.123-125. 
[2] Девятисильный А.С., Числов К.А. Интерпретация радиальной позиционной информации в двухкомпонентных навигационных и гравиметрических системах // Измерительная техника. 2012. №6. С.8-11.

Отделение математических наук РАН 

Секция прикладной математики и информатики 

2. Математическая физика и математические проблемы механики, физики и астрономии

Разработан пакет прикладных программ для решения задач потокового равновесия большой размерности. Пакет предназначен для расчета нагрузок на элементы улично-дорожной сети и дает объективную оценку эффектов от различного рода модификаций транспортной инфраструктуры. Алгоритмическое обеспечение пакета базируется на параллельном проективном методе с генерацией маршрутов для решения задач потокового равновесия. 
[1] Шамрай Н.Б. Поиск потокового равновесия проективными методами с использованием декомпозиции и генерации маршрутов // Автоматика и телемеханика. 2012. № 3. C.150-165.