Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2013 год

Отделение нанотехнологий и информационных технологий РАН

Секция нанотехнологий

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

Показано, что для существования низкопорогового нелинейно-оптического отклика диэлектрических наносистем форма наночастиц должна существенно отличаться от сферической (рис. 1). Это приводит к уширению энергетического спектра подзон дефектных и экситонных состояний оптических электронов, переходы между которыми и определяют величину нелинейно-оптического отклика.
Миличко В.А., Дзюба В.П., Кульчин Ю.Н. // Квантовая Электроника. 2013. № 43(6). С. 567-573.

Рисунок 1. Спектры поглощения (Abs.) оптического излучения массивом невзаимодействующих нано-объектов Al₂O₃ сферической (а), эллипсоидной (б) и чешуйчатой (в) форм в окружении диэлектрических матриц (вода, изопропанол, полиметилсилоксан (ПМС) и иммерсионное масло (ИМ)); пунктирная линия (в) - теоретическая зависимость спектра поглощения излучения от его длины волны.

Для металлических наночастиц обнаружено, что в полях низкоинтенсивного (I < 0.2кВт/см²) лазерного излучения эти частицы существенно изменяют свою поляризуемость вплоть до 107 А3 (рис. 2).
Milichko V.A., Nechaev A.I., Valtsifer V.A., Strelnikov V.N., Kulchin Y.N., Dzyuba V.P. // Nanoscale research letters. 2013. Vol. 8 Article Number: 317 DOI: 10.1186/1556-276X-8-317 Published: JUL 9 2013.

Рисунок 2. Зависимости изменения показателя преломления Δn, поглощения Δα и поляризуемости Δp наночастиц Fe₃O₄ в полимерной среде MMAS от интенсивности и длины волны низкоинтенсивного лазерного излучения видимого диапазона.

Разработан способ манипуляций с выбранным фуллереном С₆₀ в плотноупакованном молекулярном массиве на поверхности (Au,In)/Si(111) с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) (рис. 3). Показано, что удаление выбранного фуллерена С₆₀ и сдвиг молекулы С₆₀ в соседнюю позицию можно провести используя только механическое воздействие иглы СТМ на фуллерен.
Olyanich D.A., Kotlyar V.G., Utas T.V., Zotov A.V. and Saranin A.A. // Nanotechnology, 2013. Vol.24. P.055302-8.

Рисунок 3. Зависимость туннельного тока от перемещения иглы к поверхности (синяя) и от нее (черная) и микроскопические изображения, иллюстрирующие удаление заданной молекулы из массива.

Впервые сформированы пленки Ca3Si4 и двойные гетероструктуры Si/Ca₃Si₄/Si(111) при температуре подложки 500°С, перспективные для создания высокоэффективных термоэлектрических преобразователей. Установлено, что пленки Ca₃Si₄демонстрирует высокую температурную стабильность - вплоть до 500°C, характеризуются широким набором пиков комбинационного рассеяния света 346, 389 и 419 см_-1 с малой полушириной (рис. 4), высокой дырочной проводимостью и значениями коэффициента Зеебека до 100 мкВ/К.
Галкин Н.Г., Безбабный Д.А., Галкин К.Н., Чернев И.М., Вахрушев А.В. // Химическая физика и мезоскопия, 2013. Т. 15, № 3. C. 385-392.

Рисунок 4. Спектры комбинационного рассеяния света (КРС) от кремниевой монокристаллической подложки и пленки силицида кальция с толщиной слоя кальция 3, 30 и 76 нм

Секция информационных технологий и автоматизации

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

Предложена технология проектирования интеллектуальных сервисов на облачной платформе IACPaaS. Особенностью технологии является инструментальная поддержка проектирования и сопровождения всех компонентов сервиса: базы знаний, решателя, пользовательского интерфейса. При этом база знаний представляется декларативно и формируется экспертом по метаинформации; решатель задач проектируется как совокупность агентов; для создания интерфейса используется системный агент, автоматизирующий его создание (рис. 5).
Грибова В.В., Клещев А.С. // Информационные технологии. 2013. № 9. С. 7-11.

Рисунок 5. Структура интеллектуального сервиса.

Отделение физических наук РАН

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

На примере самоорганизации островков фуллерита на поверхностной реконструкции кремния Au/Si(111), модифицированной адсорбцией In установлен механизм отбора островков определенного размера и формы, управляемый формированием динамической картины муара (рис. 6). Этот результат открывает ранее неизвестный путь самоорганизации частиц и представляет собой новый подход для выращивания монодисперсных структур мезоскопического масштаба.
Gruznev D.V., Matetskiy A.V., Bondarenko L.V., Utas O.A., Zotov A.V., Saranin A.A., Lai M.Y., Chou J.P., Wei C.M., and Wang Y.L. // Nature Communications. 2013. Vol. 4. Article number: 1679 | DOI: 10.1038/ncomms2706, 7 P.

Рисунок 6. Эволюция формы и размера молекулярных островков С₆₀ (а, б, в), гистограммы распределения островков по размерам в ходе отжига (г) и монодисперсный массив идентичных островков (д), каждый из которых содержит 37 молекул С₆₀.

Впервые получены высокоупорядоченные структуры на поверхности Si(111), обладающие спин-поляризованными металлическими поверхностными зонами с расщеплением по волновому вектору, достигающими 0,052 Α^-1 и по энергии до 190 мэВ на уровне Ферми (рис. 7). Полученный результат открывает возможности совмещения спинтронных устройств, основанных на эффекте Рашбы, с кремниевыми технологиями.
Bondarenko L.V., Gruznev D.V., Yakovlev A.A., Tupchaya A.Y., Usachov D.Y, Vilkov O.A., Fedorov A.V., Vyalikh D.V., Eremeev S.V., Chulkov E.V., Zotov A.V. & Saranin A.A. // Nature: Scientific Reports. 2013. Vol. 3. Article number: 1826 | DOI: 10.1038/srep01826, 6 P.

Рисунок 7. Зонная структура поверхности Au/Si(111)√3x√3 и спиновая текстура, измеренная с помощью фотоэлектронной спектроскопии с разрешением по волновому вектору и спину.

10. 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

Экспериментально продемонстрирована возможность формирования единичных сквозных наноразмерных отверстий диаметром до 35 нм (<λ/15), а также периодических матриц отверстий с диаметром до 90 нм (<λ/5) в "оптически" толстых металлических пленках золото/палладий под действием остросфокусированных диэлектрическим безапертурным зондом наносекундных лазерных импульсов Nd:YAG-лазера, работающего в режиме генерации второй гармоники (рис. 8).
Kulchin Yu.N., Vitrik O.B., Kuchmizhak A.A., et al. // Optics Letters. 2013. Vol. 38(9). Р. 1452-1454.

Рисунок 8. (а) Зависимость квадратичного диаметра сквозного отверстия ^D2, сформированнрого единичным импульсом в пленке золото/палладий, от натурального логарифма энергии в импульсе Е (наклон зависимости σ_1/е=1.38 мкм определяет характеристическое распределение энергии по поверхности пленки и указывает на латеральный перенос тепла при воздействии лазерного импульса). На вставках показаны АСМ-изображения сквозных отверстий диаметрами -95 и 35 нм, сформированных при энергии в импульсе Е<e_{th; (б) Ряд сквозных суб-100 нм отверстий, сформированных единичным импульсом при уменьшающейся энергии в импульсе. (в) Центральные АСМ-профили двух сквозных отверстий диаметрами 95 и 35 нм; (г) Электронное изображение 3х3-матрицы сквозных отверстий диаметром 90 нм.}

Доказано, что выбор ионной формы хитозана, а также внедрение ионов серебра (Ag+) и их восстановление до наночастиц (Ag) позволяет управлять оптическими, волноводными и сенсорными характеристиками получаемых хитозановых пленок. Экспериментально достигнутый максимальный диапазон определяемой относительной влажности составил 6-92% со средней чувствительностью 0,03 дБ на 1% относительной влажности и временем реакции не более 1 секунды (рис. 9).
Voznesenskiy S.S., Sergeev A.A., Mironenko A.Yu., et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. Vol. 188. 2013. P. 482-487.

Рисунок 9. Сенсорный отклик пленок хитозана на подложке из фторида магния на изменение уровня относительной влажности: а) ионная и нейтральная формы, б) нейтральные формы, модифицированные ионами (Ag+) или наночастицами серебра (Ag).

Показано, что при оптическом пробое фемтосекундным лазерным излучением на поверхности морской воды регистрируются интенсивные полосы молекулярного азота. Произведена оценка температуры плазмы ~6000-4000 K и электронной плотности ~10¹⁶-10¹⁴ см^-3. При этом локальное термодинамическое равновесие наблюдается только для резонансных линий с низким потенциалом возбуждения. Данный результат показывает, что методика безэталонной лазерной искровой спектроскопии работает не для всех элементов в фемтосекундной плазме. Сравнение констант скоростей возбуждения электронным ударом показывает, что пределы обнаружения элементов будут находиться в следующем соотношении: LOD(K)<lod(ca)< lod(al)="" <="" lod(mg)="" lod(zn)="" (рис.="" 10).="" <br="">Ильин А.А., Голик С.С. Поглощение энергии лазерного излучения фемтосекундной лазерной искрой в воздухе // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, вып. 1. С. 3-8.

Рисунок 10. Спектр излучения плазмы пробоя фемтосекундным лазерным импульсом на поверхности морской воды. 2⁺, 1^- и 1⁺ - вторая положительная, первая отрицательная и первая положительная полосы молекулярного азота. Верхняя кривая - задержка регистрации 20 нс, нижняя кривая - 40 нс.

Установлена качественно новая закономерность - инвариантность наблюдаемой длины области филаментации лазерного излучения к изменению его диаметра при условии равенства начальных интенсивностей (рис. 11). Экспериментально определено, что двукратное увеличение диаметра лазерного пучка на фокусирующей линзе при одинаковой энергии импульсов приводит к увеличению интенсивности линии CaII (393,3 нм) в три и для линии Hα (656 нм) в двадцать раз при фемтосекундном пробое на поверхности водного раствора CaCl₂ (рис. 12).
Апексимов Д.В., Букин О.А., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г. Длина филаментации мощного острофокусированного фемтосекундного лазерного излучения в воздухе: влияние размера светового пучка // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 3. С. 286-293.

Рисунок 11. Длина области филаментации L_fil в зависимости от мощности излучения импульса P₀ для основной (а) и второй (б) гармоник титан-сапфирового лазера, пунктирная линия - аппроксимация.

Рисунок 12. Спектральные линии CaII (393,3 и 396,8 нм), полученные при фокусировке лазерного пучка с диаметром 7 мм (сплошная линия) и диаметром 14 мм - пунктирная линия на поверхности образца.

Установлено, что варьирование типа добавки, ее концентрации и наличия наночастиц Au и CdS в процессе синтеза нанокомпозитов на основе прекурсора тетракис (2-гидроксиэтил) ортосиликата (ТГЭОС) с добавлением полисахарида гиалуроната натрия и макромолекул гиперразветвленных полиглицидолов (НВР) влияет на спектральные характеристики генерируемого суперконтинуума и распределение филаментов по профилю лазерного пучка (рис. 13). Наличие в данных образцах малых концентраций наночастиц CdS (СdS + C₄H₆O₄S - 0.3% по весу) приводит к четырехкратному увеличению интенсивности генерации суперконтинуума в диапазоне 550-600 нм (рис. 14).
Proschenko D.Y., Golik S.S., Chekhlenok A.A., et al. //Advanced Materials Research. 2013. Vol. 677. Pp. 3-8.

Рисунок 13. Спектры суперконтинуума в образцах на основе макромолекул ТГЭОС и ТГЭОС с добавлением наночастиц CdS и воде (а); на основе ТГЭОС с добавлением макромолекул HBP (весовая концентрация в образце 1%) с массами 600000 и 3000 а.е.м. и наночастиц Au (б) - цифрами на рисунках обозначены образцы и соответствующие им спектры

Рисунок 14. Двухмерное (слева) и трехмерное (справа) распределение интенсивности в случае пороговой филаментации при частоте следования импульсов 100 Гц длительностью 45 фс: в случае кюветы с дистиллированной водой порог филаментации - 185 мкДж (1); в случае образца с ТГЭОС и CdS-квантовыми точками порог филаментации - 80 мкДж (2), в случае образца ТГЭОС + HBP (1%) с Au-наночастицами порог филаментации - 31 мкДж (3). На рисунках слева - по осям абсцис и ординат отложены пиксели детектора, цветом обозначена интенсивность в относительных единицах.

Показано, что комбинация лазерного излучения допробойной интенсивности KrF-лазера (248 нм, 25 нс) и Nd:YAG-лазера (532 нм, 4 нс) приводит к образованию плазмы на поверхности твердого тела. Образование плазмы происходит в основном за счет фотоионизации возбужденных уровней атомного пара (рис. 15). Данный результат является новым и позволяет управлять временем плазмообразования путем регулировки временного интервала между максимумами энергии лазерных импульсов.
Ильин А.А., Нагорный И.Г., Букин О.А. // Письма в ЖТФ, 2013, 39, вып. 15, с. 26-31.

Рисунок 15. Фотографии оптического пробоя на поверхности мишени, а - порог пробоя импульса 532 нм, б - одновременное воздействие на мишень двух лазерных импульсов с длиной волны 248 и 532 нм с плотностями мощности меньше пороговых

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН

Секция механики

22. Механика жидкости, газа и плазмы, многофазных и неидеальных сред, механика горения, детонации и взрыва

Представлены результаты численного исследования плоских течений пропано-воздушной смеси при изменении размера квадратной области по синусоидальному закону, а также сверхзвуковых трехмерных воздушных и пропано-воздушных потоков в каналах переменного квадратного сечения. Подтверждена гиперзвуковая аналогия плоских и пространственных течений, позволяющая использовать двумерные решения для оценки трехмерных потоков. Для описания течений использовались уравнения многокомпонентного идеального совершенного газа и одностадийная кинетика химических реакций. Численные исследования проводились методом, основанным на схеме С. К. Годунова, реализованном в оригинальном программном комплексе.
В.А. Левин, И.С. Мануйлович, В.В. Марков. Математическое моделирование ударно-волновых процессов при взаимодействии газов с твердыми границами // Труды Математического института им. В. А. Стеклова. 2013. Т.281. С. 42-54.

23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред

Изучено течение упруговязкопластической среды по трубе при изменяющемся перепаде давления. Точное решение задачи получено в рамках построенной оригинальной модели. Указаны условия зарождения течения, закономерности продвижения упругопластических границ в условиях развития течения и при его торможении. Рассчитаны поля скоростей и деформаций в движущемся материале, как необратимых, так и обратимых. Последние задают напряжения в материале в области его течения и в области продвигающегося упругого ядра (рис. 16).
Буренин А.А., Ковтанюк Л.В. Развитие и торможение течения упруговязкопластической среды в цилиндрической трубе // Прикладная математика и механика. 2013. Т. 77, вып. 5. С. 788-798.

Рисунок 16. Распределение поля скорости точек среды по цилиндрическому слою с внешним радиусом R в процессе деформирования: γ=νη/(μR) - безразмерная скорость; τ=αRt/μ - безразмерное время; ρ=r/R - безразмерная пространственная координата; η - коэффициент вязкости, μ- модуль сдвига; τ₀ - момент начала пластического течения у жесткой стенки, τ₁ - момент времени, когда режим нагружения изменяется с растущего на постоянный, τ₂ - момент начала уменьшения перепада давления, τ₃- момент прекращения течения, τ₄ - момент выполнения условия прилипания на жесткой стенке.

В рамках теории больших деформаций получено решение одномерной краевой задачи определения напряженно-деформированного состояния материала (шар начального радиуса R₀) с упругими, вязкими и пластическими свойствами в окрестности одиночного сферического дефекта сплошности (r₀) при нагрузке и последующей разгрузке (рис. 17). Указана закономерность продвижения упругопластической границы, приведены рассчетные уровень и распределение остаточных напряжений. Указаны условия возникновения повторного пластического течения в процессе разгрузки.
Ковтанюк Л.В., Мурашкин Е.В., Роговой А.А. // Вычислительная механика сплошных сред. 2013. Т. 6, № 2. С. 176-186.

Рисунок 17. Распределение остаточных напряжений в окрестности одиночного сферического дефекта: σ _rr - радиальное напряжение (сплошная линия), σ_θθ - окружное напряжение (пунктирная линия), где S_p - граница дефекта сплошности; m_p - граница области пластического течения; q_p - граница области повторного пластического течения; r₀ - одиночное сферическое включение находится в центре упругопластического шара радиуса R₀ (r₀ << R₀); µ- упругий модуль среды.

Секция проблем машиностроения и процессов управления

21. Общая механика, навигационные системы, динамика космических тел, транспортных средств и управляемых аппаратов, механика живых систем.

Предложено обоснование нейроморфизма и нейросетевая модель системы, интегрированной на базе трёхкомпонентной инерциальной навигационной системы (3D-ИНС), не содержащей гироскопических измерителей угловых скоростей. Алгоритм функционирования системы допускает отказ от интегрирования уравнений Пуассона. Обоснована возможность реализации в системе функции оценки напряженности гравитационного поля Земли.
Девятисильный А.С. Нейросетевая система коррекции векторной гравиинерциальной навигационной системы // Журнал технической физики. 2013. Т.83. Вып.12 С. 42-45.

Предложен метод формирования максимально высокой скорости движе-ния схвата многозвенного манипулятора по пространственной траектории с учетом ограничений сигналов по току и входному напряжению его исполни-тельных приводов. Исследованы различные режимы работы синтезированной системы при отработке пространственных траекторий движения рабочего орга-на, имеющих различную кривизну.
Филаретов В.Ф., Губанков А.С. Система формирования предельно высокой скорости движения рабочего органа многостепенного манипулятора по произвольной траектории // Информационно-измерительные и управляющие системы. № 4. 2013. C. 19-25.