Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2018 год  

Отделение нанотехнологий и информационных технологий 

Секция нанотехнологий

Предложена и реализована технология картирования показателя преломления гладких диэлектрических поверхностей на наномасштабе за счет детектирования спектрального отклика единичной сферической металлической наноантенны. Разработана технология создания сканирующего зонда, состоящего из высококачественного волоконного микроаксикона на вершине которого лазерным методом создается  сферическая серебряная наноантенна. Предложены, теоретически и экспериментально верифицированы схемы возбуждения плазмонной наноантенны в режиме возбуждения дипольной и квадрупольной мод, что позволяет достигнуть, в первом случае, чувствительности и разрешающей способности – 2·10^-4епп и 80нм, соответственно, а во втором случае - 5·10^-4епп и 30нм.

  Рисунок 1

Зонд и его свойства.

(a) Схема экспериментальной установки для оценки чувствительности и разрешающей способности изготовленного зонда.

(b) СЭМ-изображение гладкой диэлектрической поверхности со скачкообразными изменениями показателя преломления, использованной для проведения тестового эксперимента.

(c,d) Длины волн локальных плазмонных резонансов серебряной наночастицы в зависимости от ее положения  вдоль оси сканирования. (тип резонанса и способ возбуждения наночастицы указан на вставках)

(e) Длина волны дипольного плазмонного резонанса серебряной наночастицы в зависимости от ее положения вдоль оси сканирования в случае нанесения на образец 20нм слоя SiO2.

Оранжевые кривые на рисунках (c-e) – профиль показателя преломления, черные пунктирные линии – результат 3D FDTD расчетов 

Gurbatov S., Vitrik O., Kulchin Y. et al. // Scientific reports. 2018. Vol. 8 (1). Article number 3861. DOI: 10.1038/s41598-018-21395-w.

 

 

В результате аналитических расчетов и численного моделирования впервые  показано, что на частотах второго  и более высоких  резонансов для диэлектрических микро- и наносфер возможно усиление плотности тока в размещенном внутри них приемном элементе наноаннтены  на 25-30 дБ, по сравнению с отсутствием  таких сферических диэлектрических резонаторов. Это позволяет  существенно увеличить чувствительность наноантенн в приёмных устройствах ТГц и оптических  диапазонов.

Рисунок 2

График коэффициента усиления тока в антенне (проводник Cu) от длины волны излучения K_J. 

Вставки: положение линии среза, плотность тока в внутри цилиндра по срезу в середине, относительно единичной плотности тока 

Storozhenko D. V., Dzyuba V. P., Kul’chin Y. N. //Technical Physics Letters. 2018. Т. 44. N 8. P. 739-742.

 

 

На основе квантовых точек сульфида цинка разработаны и реализованы новые материалы для определения и фотокаталитического разрушения органических соединений в водной среде. На примере метиленового синего доказано, что первоначальный этап взаимодействия квантовой точки с молекулой аналита сопровождается переносом фотоиндуцированных носителей заряда, приводящему к изменениям спектра люминесценции квантовой точки (рис. 12а) и ее времени жизни (рис. 12б) с последующим возвращением на первоначальный уровень при завершении процесса. Эффект изменения люминесцентных характеристик проявляется при концентрации аналита менее 5·10-6 г/л, что демонстрирует его высокую чувствительность.

 

                    

а)                                                                    б)

Рисунок 3

Оптические и фотокаталитические характеристики квантовых точек сульфида цинка при взаимодействии со сложными органическими молекулами: а) спектры люминесценции на различных этапах деградации метиленового синего; б) время жизни люминесценции квантовых точек на различных этапах деградации метиленового синего 

Sergeev A.A., Sergeeva K.A., Leonov A.A. et al. // Defect and Diffusion Forum. 2018. Vol. 386. P. 229-235.

 

 

Разработан метод визуальной навигации автономного подводного робота/аппарата (АПР) и 3D реконструкции объектов подводной обстановки с использованием стереоизображений. Метод дополняет возможности традиционных гидроакустических средств навигации АПР в условиях локального маневрирования. Повышение точности локализации АПР и уменьшение вычислительных затрат достигается за счет длительного прослеживания особенностей на снимках, адаптивности к условиям движения, учета самопересечений траектории и алгоритма быстрого вычисления локальных перемещений.

  Рисунок 4

Расчет траектории автономного подводного аппарата по видеопотоку захватываемых стереоизображений  с последующей 3D реконструкцией объектов подводной обстановки 

Bobkov V.A., Kudryashov A.P., Mel’man S.V. // Gyroscopy and Navigation, 2018. Vol. 9. N 1. P. 67-75.

 

 

Разработаны и реализованы на облачной платформе (https://iacpaas.dvo.ru/) методы обеспечения автоматизации проектирования, прозрачности и модифицируемости интеллектуальных систем с базами знаний. Отличие и особенность предлагаемых методов заключается в  создании всех компонентов  СБЗ (программных и информационных) по их графовым моделям с последующей автоматической генерацией редакторов с мультимодальным интерфейсом для их формирования. Модель компонента описывается на декларативном языке, все компоненты имеют единый унифицированный внутренний формат. Решатель представляется множеством агентов, обменивающихся сообщениями.

 

  Рисунок 5

Использование языка описания моделей для представления декларативной части программных компонентов 

Грибова В.В., Клещев А.С., Москаленко Ф.М. и др. // Программная инженерия. 2018. №8. С. 339-348.

 

 

Получена классификация влияния сбора урожая на динамику численности популяции. Разный по интенсивности сбор урожая может качественно менять закономерности динамики развития  популяции. Бассейны притяжения предельных динамических режимов для случаев без сбора урожая и со сбором урожая существенно различаются. В асимптотике возникают циклические режимы разного периода. Оптимальную интенсивность сбора урожая можно выбирать постоянной -  результат мало отличается от общего случая переменной по времени интенсивности. Скорости сбора урожая при оптимальной общей интенсивности и оптимальной постоянной интенсивности различаются незначительно.

  Рисунок 6

Бассейны притяжения траекторий динамики численности в пространстве выбранных параметров

Neverova G.P., Abakumov A.I., Yarovenko I.P. et al. // Nonlinear Dynamics. 2018. Т. 94. №2. Р. 827-844. 

Ревуцкая О.Л., Неверова Г.П., Фрисман Е.Я. // Математическая биология и биоинформатика. 2018. Т. 13. № 1. С. 270–289. DOI: 10.17537/2018.13.270.

 

Отделение физических наук

Теоретически было предсказано, что двумерные топологические изоляторы обеспечивают бездиссипативный транспорт спин-поляризованных электронов. В настоящей работе впервые синтезировано соединение In-Sb атомной толщины на поверхности Si(111) и продемонстрировано наличие у него свойств двумерного топологического изолятора.

Рисунок 7

Микроскопическое изображение поверхности InSb/Si(111), атомная структура её верхнего двойного слоя и фрагмент её электронной зонной структуры, иллюстрирующий инверсию поверхностных зон In и Sb

Gruznev D.V., Eremeev S.V., Bondarenko L.V. et al. // Nano Letters. 2018. V. 18. Iss.7. P.4338-4345.

 

 

На поверхности кремния Si(100) синтезировано двумерное соединение Tl-Au, имеющее структуру атомного сэндвича с симметрией второго порядка (С_2v). Такая симметрия обеспечивает уникальную спиновую поляризацию поверхностных электронных состояний, в которой нормальная спиновая компонента равно нулю для всех значений волнового вектора электронов. 

 

Рисунок 8

(а)  Структурная модель двумерного соединения TlAu на Si(100),  где атомы Au обозначены желтым цветом, атомы Tl - серым;

(б)  экспериментальный и рассчитанный контуры двумерной Ферми-поверхности этого соединения

GruznevD.V., BondarenkoL.V., TupchayaA.Y.  et al. // Physical Review B. 2018. Vol. 98. P. 125428-6.

 

 

Развит подход и представлены результаты комбинированных вычислений методами молекулярной динамики и теории функционала плотности структурных и оптических свойств нанокристаллов (НК), встроенных в кристаллическую матрицу. Построен и апробирован метод вычислений на совместимых и несовместимых решетках НК и матрицы (рис. 9). Предложено выражение для функции поискового алгоритма, определены эпитаксиальные соотношения на границе раздела Si/НК и оптические свойства НК.

Рисунок 9

Плотность частичного заряда, соответствующая энергетическим уровням внутри запрещенной зоны Si (желтые изоповерхности). Голубые и золотистые кружки соответствуют атомам Si и Fe, соответственно.

(а) nc1; (б) nc2; (с) nc3 – различные типы нанокристаллов

Balagan S., Nazarov V., Shevlyagin A. et. al. // J. Phys.: Condens. Matter. V. 30. N 24. 2018. 245301.

 

 

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления 

Секция проблем машиностроения и процессов управления

Разработаны методология, численные методы и программные средства оценки производных траектории морского подвижного объекта и модели разделения относительного и переносного (поверхностного морского течения) движений объекта по данным его позиционирования ГЛОНАСС. Предложены нейроморфные алгоритмы реального времени с покадровым вейвлет-анализом потоков данных. Проведен вычислительный эксперимент: при среднеквадратической погрешности (СКП) позиционирования объекта достигнуты СКП оценок скоростей и ускорений.

Рисунок 10

Архитектурная диаграмма нейросети (АДО – базовый алгоритм динамического обращения)

 

Рисунок 11

Схема покадрового разделения потоков данных при вейвлет-анализе (а – исходный поток; б – разделенный поток с количеством m данных в кадре)

Девятисильный А.С., Гриняк В.М., Шурыгин А.В. // Морские интеллектуальные технологии. 2018. Т. 2. №2 (40). С. 175-180;

Девятисильный А.С., Шурыгин А.В. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. № 19 (9). С. 601-607.

 

 

Предложен новый принцип высокоточного управления пространственным движением сложных многоканальных динамических объектов управления (ОУ) в следящем режиме. Этот принцип основан на управлении не столько самими ОУ, сколько их программными сигналами. Указанный принцип обеспечивает точное движение динамических ОУ по предписанным гладким траекториям не за счет использования высококачественных (сложных) адаптивных систем управления, минимизирующих динамические ошибки слежения, а за счет подачи на входы простых в реализации следящих систем этих ОУ специально формируемых дополнительных программных сигналов управления.

Рисунок 12

Обобщенная структурная схема системы управления, построенная с использованием нового принципа управления.

MCU – основное корректирующее устройство, ACU – дополнительное корректирующее устройство, DO – динамический объект 

Filaretov V.F., Yukhimens D.A. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. №7 (19). С. 435-442.

 

 

Предложен метод для разработки адаптивного идентификатора (виртуального анализатора) массообменного технологического объекта на примере блока ректификационных колонн установки каталитического крекинга. Решена задача выбора оптимальной длины движущегося окна адаптивного виртуального анализатора с использованием физико-химических закономерностей массообменных технологических процессов. Показано преимущество непрерывной адаптации всех параметров модели виртуального анализатора вместо использования традиционной процедуры устранения систематической ошибки.

Рисунок 13

Выбор оптимальных параметров адаптивного виртуального анализатора с учетом коэффициента изменчивости (v,%) параметров и количества входов (q) модели 

Torgashov A., Skogestad S., An D. // Chemical Engineering Transactions. 2018. Volume 69. P. 487-492.

 

 

Секция механики 

С использованием оригинальной численной модели показано, что при горении твердых пористых сред в условиях принудительной фильтрации газ стремится огибать нагретую часть пористого объекта, предпочитая течь по холодным областям (рис. 14а). Обнаружено, что при горении твердых пористых сред в условиях естественной конвекции в окрестности очага горения возникают медленные вихревые течения газа (рис. 14б), которые могут существовать достаточно долго и поэтому сильно влияют на приток окислителя в зону реакции.

Рисунок 14

Поле скорости газа в пористом объекте при принудительной фильтрации (а) и при свободной конвекции (б) через некоторое время после инициирования горения в центральной части объекта

Lutsenko N.A. // Combustion Theory and Modelling. 2018. Vol. 22, Issue 2. P. 359-377.

 

 

В рамках теории больших деформаций исследовано возникновение, продвижение и взаимодействие с упругопластической границей волны разгрузки в упруговязкопластическом материале, заполняющем круглую трубу. Под действием растущего перепада давления материал вначале квазистатически деформируется, удерживаясь в трубе за счет трения о ее стенку, образуются пристенное вязкопластическое течение и упругое ядро. Волна разгрузки инициируется в момент начала проскальзывания материала на внутренней стенке трубы. Проведены расчеты с использованием лучевого метода, получены лучевые разложения решений за возникающими цилиндрическими поверхностями разрывов.

Рисунок 15

Распределение напряженияσ_rz(r,t)вдоль радиуса r в промежуточные моменты времени t до (сплошная линия) и после (штрихпунктирная линия) отражения волны разгрузки от упругопластической границы m* (R – радиус трубы)

Герасименко Е.А., Ковтанюк Л.В., Буренин А.А. // Прикладная механика и техническая физика. 2018. Т. 59. № 2. С. 149-159.

Gerasimenko E.A., Kovtanyuk L.V., Burenin A.A.  // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2018. Vol. 59. N. 2. P. 316-325. DOI: 10.1134/S0021894418020153.

 

 

Методом сращиваемых асимптотических разложений получено решение одномерной нестационарной задачи о косом ударе по границе нелинейно-упругого изотропного полупространства. Показано, что для определения зоны действия эволюционного уравнения квазипоперечной волны необходима серия переходов к промежуточным внутренним задачам метода малого параметра, зависящим от предварительной объемной деформации, которая влияет на искажение характеристических координат и переднего фронта квазипоперечного процесса. Поэтому переход к эволюционному уравнению квазипоперечных волн происходит при одновременном изменении всех независимых переменных краевой задачи.

Рисунок 16

Схема решения одномерной нестационарной краевой задачи:  x₁=U₁(t)³0 – подвижная граница с заданными нелинейными перемещениями u₁(U₁(t),t)=U₁(t), u₂(U₁(t),t)=U₂(t), u₃(U₁(t),t)=0; x₁=X₁(t), x₁=X₂(t) – продольная и квазипоперечная ударные волны; 0 – недеформированная среда, I – область сжатия, D – зона действия эволюционного уравнения квазипоперечной волны X₂(t), II – область внешнего решения, сращиваемого с решением в зоне D 

Иванова Ю.Е., Рагозина В.Е. // Известия РАН. Механика твердого тела. 2018. № 1. 89-102;

Ivanova Yu.E., Ragozina V.E. // Mechanics of Solids. 2018. Vol. 53. Iss. 1. P. 73-84.