Отделение физических наук

Секция общей физики и астрономии

 

Сингулярности Ван Хова высокого порядка в атомарно-тонком кагомэ металле LaTl₃

Впервые был синтезирован металл кагомэ моноатомной толщины LaTl₃ на подложке Si(111) и обнаружено наличие в его электронной структуре сингулярностей Ван Хова высокого порядка (рис. 1), которые до сих пор наблюдались только в некоторых материалах (в основном, в слоях графена), и никогда не наблюдались в моноатомных пленках металлов на полупроводнике. Обнаруженные свойства делают монослой кагоме LaTl₃ весьма привлекательным материалом для сверхкомпактных наноэлектронных устройств.

Рисунок 1. Энергетические поверхности спин-расщеплённых зон, иллюстрирующие возникновение сингулярностей Ван Хова высших порядков вблизи соответствующих точек высокой симметрии зоны Бриллюэна двумерного кагомэ металла LaTl₃ при (а) E=-30 мэВ, (б) E= 76 мэВ, (в) E= 1.03 эВ

Y.E. Vekovshinin, L.V. Bondarenko, A.Y. Tupchaya, T.V. Utas, Edrick Wang, A.N. Mihalyuk, D.V. Gruznev, A.V. Zotov, A.A. Saranin. High-order Van Hove singularities in atomically thin kagome metal LaTl₃ // ACS Nano. – 2025. - V.19. Iss.41. - P.36510-36516. DOI: 10.1021/acsnano.5c11205.

 

Взаимодействие монослоя фуллерена C₆₀ и топологического изолятора Bi₂Se₃: от ориентационного упорядочения к перспективным передовым электронным и транспортным свойствам 

Исследованы упорядочение и электронные свойства системы молекулярной пленки фуллеренов C₆₀ и топологического изолятора Bi₂Se₃ (рис. 2). Показано, что легирование расширяет его функциональные возможности, поскольку оно эффективно сдвигает уровень Ферми в область молекулярных плоских зон, что может обеспечить режим высокой электронной корреляции и раскрыть большой потенциал границы раздела C₆₀/Bi₂Se₃, как перспективного гибридного молекулярного 2D-материала.

Рисунок 2. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая формирование молекулярного слоя фуллеренов С₆₀ на топологическом изоляторе Bi₂Se₃ и легирование его атомами калия

V.V. Mararov, A.N. Mihalyuk, T.V. Utas, M.A. Abramova, A.V. Davydenko, A.V. Zotov, A.A. Saranin. Interfacing C₆₀ fullerene monolayer and Bi₂Se₃ topological insulator: From orientational ordering to prospective advanced electronic and transport properties // Scripta Materialia. – 2025. - Vol.269. - P.116903-6. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2025.116903.

 

Молекулярный дизайн -замещенных куркуминоидов дифторида бора: управление люминесценцией и нелинейно-оптическими свойствами

Исследованы люминесценция в растворах, кристаллах и полимерных матрицах, фотобиологические свойства и нелинейно-оптические свойства новых люминофоров ближнего инфракрасного диапазона – куркуминоидов дифторида бора с различными заместителями у центрального атома углерода (в γ-положении) хелатного цикла 1,7-бис(4′-N,N′-диметиламинофенил)-4-органил-гепт-1,6-диен-3,5-дионата дифторида бора (1–5). Для соединений в пленках полистирола (ПС) и полиметилметакрилата (ПММА) зарегистрирована двухфотонная люминесценция (рис. 3).

Рисунок 3. Спектры однофотонно-возбужденной флуоресценции при возбуждении УФ-светодиодом с длиной волны 365 нм, образца, модифицированного излучением фемтосекундного лазера с длиной волны 800 нм: (а) в ПММА, (b) в ПС. Спектры двухфотонно-возбужденной флуоресценции  образца, модифицированного излучением фемтосекундного лазера с длиной волны 800 нм, (c) в ПММА, (d) в ПС, время модификации указано на рисунке

E.V. Fedorenko, A.G. Mirochnik, A.V. Gerasimenko, N.A. Lyubykh, A.Yu. Beloliptsev, A.Yu. Mayor, A.E. Egorov, A.A. Kostyukov, I.D. Burtsev, T.M. Nguyen, A.V. Shibaeva, A.A. Markova, V.A. Kuzmin. Molecular design of −substituted boron difluoride curcuminoids: Tuning luminescence and nonlinear optical properties // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. - 2025. – V. 460. – P. 116110. DOI: 10.1016/j.jphotochem.2024.116110.

 

Отделение нанотехнологий и информационных технологий

Секция нанотехнологий

 

Высокоточный метод предиктивной лазерной печати цветовых изображений с использованием технологий машинного обучения

Разработан метод фемтосекундной лазерной печати структурных цветовых изображений на поверхности титановых пленок с разрешением не менее 20000 точек на дюйм. Варьирование параметров обработки позволило одновременно реализовать режимы локального равномерного окисления пленки, а также формирования различных типов самоорганизующихся нанорешёток, обеспечивая широкодиапазонную модуляцию коэффициента отражения поверхности. Оптимизированная с использованием методов машинного обучения многослойная нейронная сеть позволила спрогнозировать режимы обработки, выходящие за пределы экспериментального набора данных, и обеспечила высокоточное воспроизведение заданных в шаблоне цветовых изображений (рис. 4), открывая широкие перспективы для практического внедрения метода.

Рисунок 4. Схема многослойной нейронной сети, использованной для анализа корреляции между ключевыми параметрами лазерного воздействия на пленку титана (скоростью сканирования лазерным пучком поверхности и энергии в импульсе) и цветовым оттенком ее поверхности в виде координат в цветовом пространстве RGB. (слева) Пример цветового изображения на поверхности пленки титана, обработанной лазером в различных режимах, приводящих как к равномерному оксидированию поверхности, так и формированию самоорганизованных нанорешеток, ориентированных сонаправленно или ортогонально поляризации падающего лазерного излучения (справа)

V. Lapidas, A.B. Cherepakhin, A.G. Kozlov, A.V. Shevlyagin, K. Kolonica, S. Shevlyagina, A. Kokhanovskiy, J. Zhang, A.Yu. Zhizhchenko, A.A. Kuchmizhak. Structural Coloration on Titanium Films by Direct Femtosecond Laser Patterning Empowered by Neural Networks // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2025. – Т. 17. – №. 10. – С. 16122-16131. DOI: 10.1021/acsami.4c19353.

 

Усиленный оптический эффект Керра в метаповерхностях с массивами повёрнутых прямоугольных отверстий вследствие резонансов захваченной моды

Численно исследовано усиление оптического эффекта Керра в метаповерхностях с высоким показателем преломления, обладающих захваченными модами и не являющимися состояниями в континууме. В качестве модельного материала использовался GaP. Трехмерное моделирование методом конечных разностей во временной области выявило значительное усиление эффективного нелинейного показателя преломления второго порядка, достигающего значений в 700 раз больше, чем у объемного GaP (рис. 5). По сравнению со связанными состояниями в континууме, захваченная мода проявляет устойчивость к структурным дефектам. Результаты работы имеют перспективы применения в отражающей нелинейной оптике, для генерации высоких гармоник и создания поляризационно-нечувствительных фотонных устройств.

 

Рисунок 5. Усиление эффективного нелинейного показателя преломления второго порядка для массива повернутых прямоугольных наноотверстий в пластине GaP в зависимости от длины волны

A.V. Panov. Enhanced optical Kerr effect in metasurfaces featuring arrays of rotated rectangular holes via trapped-mode resonances // Optics Letters. - 2025. - V. 50, Iss. 18. - P. 5849-5852. DOI: 10.1364/OL.569837.

 

Ультратонкие пленки CrSi на Si(111): особенности структуры и механизмы транспорта

Методом первопринципных расчетов доказано, что основным состоянием CrSi является моноклинная фаза (P2₁3), являющаяся бесщелевым полупроводником с дырками в качестве основных носителей заряда (Рис. 6а) и антиферромагнитным упорядочением, а кубический CrSi является полуметаллом с ферромагнитным упорядочением. Моноклинная структура впервые идентифицирована в ультратонких (УТ) пленках CrSi (3.19 нм) (Рис. 6 б,в), При Т=2-30 К основными носителями заряда в  УТ пленке CrSi являются дырки с квантовым магнитосопротивлением (Рис. 6 г,д), двумерной проводимостью слое, положительным магниторезистивным эффектом (≤0,12% при 8 Тл и 10 К) и ферромагнитными свойствами в диапазоне температур от 3 до 300 К, перспективными для спинтроники.

Рисунок 6. (а) Картины ВРПЭМ изображения поперечного сечения гетероструктуры CrSi/Si(111) УТ пленки m-CrSi с различными увеличениями (б)  и картины БФП ВРПЭМ (в) из области, отмеченной белым квадратом; (г) полевые зависимости Холловского сопротивления системы УТ пленка/Si, приведенного к его значению при нулевом магнитном поле в температурном диапазоне при Т= 2 – 30 К; (д) полевая зависимость магнетосопротивления (MR_хх) линейная от магнитного поля при Т=30 К

N.G. Galkin, K.N. Galkin, O.V. Kropachev, S.A. Dotsenko, D.L. Goroshko,  D.B. Migas, A.B. Filonov, N.V. Skorodumova, A.V. Gerasimenko, A.K. Gutakovskii, Ultra-thin and thin CrSi films on Si(111): I. Formation and crystal structure // Journal of Materials Chemistry C, 2025. - V.13. – Issue 6. - Page2987-2999.

 N.G. Galkin, E.Yu. Subbotin, K.N. Galkin, D.L. Goroshko, O.A. Goroshko,  D.B. Migas, A.B. Filonov, I.A. Tkachenko, A.Yu. Samardak, Ultra-thin and thin CrSi films on Si(111): II. Transport and magnetic properties // Journal of Materials Chemistry C. 2025. - V.13. – Issue 6. – P. 2875-2886.

 

Отделение нанотехнологий и информационных технологий РАН

Секция информационных технологий и автоматизации

 

Гибридный подход к разработке систем поддержки принятия клинических решений для планирования и мониторинга лечения

Разработан программный инструментарий для планирования и мониторинга медикаментозной терапии, основанный на гибридном подходе: на основе графов знаний и рассуждений по аналогии. Это было достигнуто за счет разработки универсальной обобщенной онтологии, предоставляющей абстрактную модель процесса лечения с методом адаптации к определенному виду лечения, а также алгоритма рассуждения по аналогии с настраиваемыми критериями анализа (рис. 7а). Разработанный подход вносит вклад в развитие гибридных интеллектуальных систем нового поколения, внедрение которых будет способствовать цифровой трансформации здравоохранения (рис. 7б).

Рисунок 7. (а) Структура инструментария. (б) Затраты на разработку с использованием предложенного решения

Kovalev R., Gribova V., Okun D. A hybrid approach to developing clinical decision support systems for treatment planning and monitoring // Systems. - 2025. - V. 13, №10. – P. 920.DOI: 10.3390/systems13100920. 

 

Семантический фреймворк для построения «Реабилитационных консилиумов»

Разработана оболочка для создания систем поддержки принятия решений типа «Реабилитационный консилиум». Она включает уникальный комплекс онтологических моделей для обработки клинически важной документации о пациенте, методов ведения реабилитационного больного, накопления знаний для поддержки решений (рис. 8). Оболочка апробирована на нескольких предметных областях реабилитации. Она позволяет в краткие сроки получать полезный для практики сервис, управляемо наполнять компоненты знаниями для диагностики и планирования мероприятий, проводить процедуры проверки правильности на реальных прецедентах.

Рисунок 8. Схема комплекса онтологий

Gribova V., Shalfeeva E. Digital Tools for Decision Support in Social Rehabilitation // Journal of Personalized Medicine. -  2025. - Vol. 15, № 10. – P. 468. DOI: 10.3390/jpm15100468.

 

Разработка метода рассуждения на ансамбле графов знаний по установке режимов аддитивного изготовления и обработки металлических изделий

Разработан метод рассуждения на ансамбле графов знаний по установке режимов аддитивного изготовления и обработки металлических изделий по технологии направленного энерговклада (рис. 9).  Метод объединяет применение представленных в графах знаний онтологических правил и соглашений с дифференцированным подходом к вычислению различных функций и отношений, заданных на участвующих в технологических процессах объектах и их характеристиках. Вычисления основаны на знаниях специалистов по материаловедению и лазерной обработке материалов, а также регулярно пополняемых мастер-данных в данной области. Метод может быть использован при разработке интеллектуальных ассистентов для технологов в сфере лазерного аддитивного производства по технологии направленного энерговклада.

Рисунок 9. Состав и структура ансамбля онтологических графов знаний в лазерном аддитивном производстве

V. Gribova, Y. Kulchin, A. Nikitin, P. Nikiforov, A. Basakin, E. Kudriashova, V. Timchenko, I. Zhevtun. A Multi-Model Ontological System for Intelligent Assistance in Laser Additive Processes // Applied Sciences. - 2025. – V. 15(8). – P. 4396. DOI: 10.3390/app15084396.

 

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления

Секция механики

 

Исследование влияния многослойности твердого горючего на эффективность работы двухкамерного низкотемпературного газогенератора летательного аппарата

С использованием оригинальной численной модели изучена газификация многослойного твердого пористого горючего в двухкамерном низкотемпературном газогенераторе высокоскоростного летательного аппарата. Показано, что при газификации многослойных пористых материалов могут возникать и одновременно распространяться несколько волн газификации. Обнаружена сложная зависимость времени работы газогенератора не только от объёмной доли компонентов, но и от взаимного расположения слоёв двухсоставного горючего (рис. 10). Установлено, что состав многослойного горючего, а именно, относительные размеры слоев и их взаимное расположение, может являться управляющим параметром процесса газификации, позволяющим задавать требуемые эксплуатационные характеристики газогенератора.

Рисунок 10. Пример степени газификации твердого горючего через 180 секунд после начала процесса в газификаторах, состоящих из: 1 – полиметилметакрилата (ПММА),
2 – полиэтилена (ПЭ),  3 – 16 слоев ПММА+ПЭ+ПММА+ПЭ+…, 4 – 16 слоев ПЭ+ПММА+ПЭ+ПММА+…

Lutsenko N.A., Borovik K.G., Fetsov S.S., Salgansky E.A. Gasification of multi-layer porous fuels in low-temperature gas generator for flying vehicle // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2025. - Vol. 236. - Article 126264. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126264.

 

Средство индивидуальной защиты органов дыхания, обеспечивающее новый уровень безопасности при пожарах

Разработано инновационное средство индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) фильтрующего типа, обеспечивающее новый уровень безопасности: в отличие от обычных респираторов, новое устройство защищает не только от токсичных газов, но и от термических ожогов дыхательных путей, обеспечивая полную респираторную защиту в условиях пожара. Конструктивной основой разработанного СИЗОД является составной двухслойный фильтр, объединяющий газодымозащитный слой из гранулированного адсорбента и теплозащитный слой из гранулированного материала с фазовым переходом. С помощью оригинальной численной модели доказано, что на основе серийных материалов можно создавать двухслойные комбинированные фильтры с приемлемыми массогабаритными характеристиками.

Рисунок 11. Распределение температуры гранулированного материала в двухслойных фильтрах общей массой 240 г, состоящих из материала А43 в первом слове и активированного угля во втором слое (а, в) или активированного угля в первом слове и материала А43 во втором слое (б, г) через 10 мин (а, б) и 20 мин (в, г) после начала использования при температуре вдыхаемого воздуха 450 К. H – длина фильтра, D – его диаметр

Lutsenko N.A., Kim A.S., Fetsov S.S. Performance of two-layer filters for innovative respiratory protective devices containing granular phase change materials // International Journal of Thermal Sciences. - 2025. - Vol. 217. - Article 110029. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2025.110029.

 

Аналитическое решение задачи о неустановившейся ползучести вязкоупругого цилиндрического слоя в условиях скручивающего воздействия

С использованием математической модели больших деформаций материалов с упругими, пластическими и вязкими свойствами получено аналитическое решение задачи о деформировании в условиях неустановившейся ползучести вязкоупругого материала, помещенного в зазор между двумя жесткими цилиндрическими поверхностями, при повороте внешнего жесткого цилиндра за счет приложенного к нему переменного момента закручивания, в то время как внутренний цилиндр является неподвижным. Вычислены перемещения, обратимые и необратимые деформации, напряжения на всех этапах деформирования, включая остаточные деформации и напряжения при полной разгрузке (рис. 12).

Рисунок 12. Распределение остаточных напряжений в цилиндрическом слое

Бегун А.С., Ковтанюк Л.В. Об аналитическом решении задачи о ползучести вязкоупругого цилиндрического слоя в условиях скручивающего воздействия // Известия РАН. Механика твердого тела. - 2025. - № 4. - С. 188-201. DOI: 10.31857/S1026351925040107.

 

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН

Секция проблем машиностроения и процессов управления

 

Метод построения адаптивных навигационных систем для автономных необитаемых подводных аппаратов на основе данных, передаваемых по акустическому каналу от гидроакустической станции

Предложен новый метод построения адаптивных навигационных систем для автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА), использующих ограниченный набор бортовых датчиков, а также данные о положении АНПА, получаемые через акустический канал от гидроакустических станций освещении подводной обстановки (рис. 13). Для существенного увеличения точности определения параметров движения АНПА в рамках предложенного метода формируется оценка положения и скорости этого движения с учетом его динамической модели, параметры которой подстраиваются по данным, полученным от гидроакустической станции. Преимущество предложенного подхода заключается в возможности использования минимального количества бортовых датчиков АНПА, а также быстрого развертывания всего навигационного оборудования.

   

Рисунок 13. Взаимодействие АНПА и гидроакустической станции

Liu C., Filaretov V.F., Yukhimets D.A., Gubankov A.S. Adaptive Navigation System for an Autonomous Underwater Vehicle Based on Data Transmitted via an Acoustic Channel from a Hydroacoustic Station // Drones. - 2025. – V. 9. – P. 299. DOI: 10.3390/drones904029.

 

Метод построения виртуального анализатора с многомерным предиктором с учетом кросс-корреляции ошибок

Предложен метод построения виртуального анализатора с многомерным предиктором, который за счет учета совместно авто- и кросс-корреляций ошибок модели (МВА ПКО), позволяет извлекать ценную информацию из динамики ошибок, что является ключевым фактором повышения точности виртуального анализатора. Для n-мерного случая теоретически доказано, что предлагаемый предиктор минимизирует обобщенную дисперсию многомерных ошибок. Для двумерного случая разработаны аналитические методы определения структуры и параметров предлагаемого предиктора. Показана эффективность предложенного метода в сравнении с подходами построения многомерных виртуальных анализаторов с предиктором без учета кросс-корреляций (МВА ВП).

Рисунок 14. Изменение амплитуды спектра когерентности (а) и величины ошибок МВА (б) при использовании предложенного предиктора

Snegirev O.Y., Klimchenko V.V., Shtakin D.V., Torgashov A.Y., Yang F. Multivariable soft sensor with a predictor of mutually dependent errors applied to an industrial fractionator // Journal of Process Control – 2025. – V. 155, №11. – P. 103555. DOI: 10.1016/j.jprocont.2025.103555.

 

Метод интеллектуального планирования миссий автономных подводных аппаратов

Сформированы принципы разработки интеллектуального планировщика миссий автономных подводных робототехнических комплексов (АПРК), работающего на стратегическом уровне системы управления и обеспечивающего автоматическую адаптацию текущей миссии на основе данных, поступающих от бортовых сенсоров АПРК. Разработана формальная модель планирования миссий АПРК через множество линейных участков с предусловиями и постусловиями (рис. 15). Ключевым аспектом предложенного решения является использование онтологического подхода для стандартизации описания миссий и обеспечения их программной интерпретации. Разработанный комплекс инструментальных средств позволит создавать полностью автономные интеллектуальные АПРК, способные выполнять различные исследовательские и технологические операции в условиях неопределенности и переменности окружающей среды.

Рисунок 15. Архитектурная схема системы планирования миссий АПРК (а), результаты тестирования планировщика миссии АПРК (б)

Грибова В.В., Шалфеева Е.А., Филаретов В.Ф., Зуев А.В., Юхимец Д.А. Метод интеллектуального планирования миссий автономных подводных аппаратов // Информатика и автоматизация. - 2025. - Т. 24. № 5. - С. 1257-1283. DOI: 10.15622/ia.24.5.1.