ИАПУ ДВО РАН

Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2016 год

Отделение нанотехнологий и информационных технологий

Секция нанотехнологий

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

Впервые продемонстрирована возможность создания оптического волноводного сенсора газообразного сероводорода, чувствительным элементом которого является нанокомпозитное биополимерное покрытие на основе хитозановой пленки, допированной наночастицами благородных металлов (рисунок 1а). Нанокомпозитное покрытие толщиной 150 нм обеспечивает пороговый сенсорный отклик на присутствие сероводорода в диапазоне концентраций 0.1 –300 ppm (ПДК сероводорода 10 ppm) (рисунок 1б).

а) б)

а) Фотография оптического волновода с нанокомпозитным покрытием;

б) сенсорный отклик оптического волноводного сенсора на присутствие газообразного серодорода.

Рисунок 1 - Оптический волновод с нанокомпозитным покрытием

A.Yu. Mironenko, A.A. Sergeev, A.E. Nazirov, E.B. Modin, S.S. Voznesenskiy, S.Yu. Bratskaya, H2S optical waveguide gas sensors based on chitosan/Au and chitosan/Ag nanocomposites // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. Vol. 225. P. 348-353.

9. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы

Создан и протестирован кремниевый p-i-n фотодиод со встроенными нанокристаллами β-FeSi2, работающий при комнатной температуре и имеющий сверхширокий диапазон чувствительности от 400 до 1800 нм. Обнаруженный квантовый эффект (КЭ) Штарка совместно с лавинным умножением носителей привели к увеличению фотоотклика диода на два порядка, а его спектральная чувствительность расширилась до 1800 нм (рисунок 2). Области применения предложенного фотодетектора потенциально включают интегральную кремниевую фотонику и мультицветную фотодетекцию, а КЭ Штарка дает основу для развития быстродействующих электрооптических модуляторов на кремнии.

0 В - треугольники, до -5 В (большие квадраты), в режиме лавинного пробоя -55 В (пентагоны) и -70 (малые квадраты)

Рисунок 2 - Спектр фотоответа в диапазоне длин волн 1400 – 1800 нм кремниевого p-i-n диода со строенными нанокристаллами β-FeSi2, измеренный при комнатной температуре и различных смещениях

Shevlyagin A.V., D.L. Goroshko, E.A. Chusovitin, N.G. Galkin. VIS-NIR-SWIR multicolor avalanche photodetector originating from quantum-confined Stark effect in Si/β-FeSi2/Si structure // Applied Physics Letters. 2016. Vol. 109. Iss. 17. Article number 171101. DOI: 10.1063/1.4965973.

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

Разработана лазерная двухканальная система измерения колебаний микроосцилляторов, основанная на использовании адаптивного голографического интерферометра. Независимая работа измерительных каналов достигнута за счет использования ортогональной геометрии записи динамических голограмм в фоторефрактивном кристалле CdTe. Экспериментально продемонстрирована работа системы при детектировании колебаний микрокантилеверов с размерами 215×40×15 мкм3. Чувствительность системы составила 2,6×10–6 нм Вт1/2Гц–1/2. Полученный результат закладывает основу создания многоканальной лазерной системы детектирования нанообъектов и измерения их масс.

На вставке – относительное расположение кантилеверов и объектного пучка интерферометра

Рисунок 3 - Спектр зарегистрированного сигнала, соответствующий собственным колебаниям двух микрокантилеверов – чувствительных элементов системы измерения малых масс

Romashko R.V., Efimov T.A., Kulchin Yu.N. Full-Optical Two-Channel Adaptive System for Detecting Microcantilever Vibrations // Journal of Russian Laser Research. 2016. Vol. 37. N 1. P. 102-106. DOI: 10.1007/s10946-016-9550-3.

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 новая парадигма разработки, сопровождения и оценивания интеллектуальных систем, учитывающая их специфику, при этом акцент сделан жизнеспособности и управляемости систем этого класса. Выделены принципиальные отличия входных, выходных данных интеллектуальных систем от систем другого класса, особенности базы знаний и решателя задач, влияющие на их управляемость и жизнеспособность. Проведена оценка существующих технологий на соответствие новой парадигме.

Рисунок 4 - Архитектура интеллектуальной системы

Грибова В.В., Клещев А.С. Парадигма разработки управляемых интеллектуальных систем // Системы управления и информационные технологии. 2016. №3 (65). С. 32-38.

39. Архитектура, системные решения, программное обеспечение и информационная безопасность информационно-вычислительных комплексов и сетей новых поколений, системное программирование

Предложены модели, методы реализации моделирования межрегиональных грузопотоков, основанные на гибридных вычислениях с гетерогенной архитектурой. Для моделирования торговых потоков между территориями используются методы математического моделирования сложных систем, выполняемые на высокопроизводительной архитектуре, для интерпретации управления и визуализации результатов используются методы искусственного интеллекта и облачная платформа.

Рисунок 5 - Архитектура взаимодействия программных модулей сервиса моделирования межрегиональных грузопотоков

Величко А.С., Грибова В.В., Федорищев Л.А. Облачный сервис для интерактивного моделирования межтерриториальной торговли // Моделирование и анализ информационных систем. 2016. Т. 23. №4. С. 412-426.

Отделение физических наук

Разработан высокоэффективный прямой лазерный метод печати периодических массивов параболических микровыпуклостей, а также плазмонных метаповерхностейна их основе (Рисунок 6 - А-Г). Метаповерхности позволяют реализовать управляемое перестраиваемое резонансное рассеяние света в видимом диапазоне частот за счет возбуждения в микровыпуклостях продольных плазмонных мод, что подтверждается расчетами структуры электромагнитного поля и измеренными спектрами рассеяния (Рисунок 6 - Д, Е).

Период в массивах соответствует 2 (А), 1 (Б), 0.8 (В) и 0.5 мкм (Г). (Д) - темнопольные оптические изображения массивов параболических микровыпуклостей различного размера (размер единичных структур увеличивается снизу вверх), а также соответствующие данных массивам спектры рассеяния (Е), демонстрирующие смещение пика в сторону больших длин волн при увеличении размера элементов метаповерхности

Рисунок 6 - СЭМ изображения участков метаповерхностей, состоящих из микровыпуклостей параболической формы и изготовленных метом прямой фемтосекундной лазерной печати

Kuchmizhak A., Vitrik O., Kulchin Y., Storozhenko D., Mayor A., Mirochnik A., Inogamov N. Laser printing of resonant plasmonic nanovoids // Nanoscale. 2016. Vol. 8. Issue 24. P. 12352-12361. DOI: 10.1039/c6nr01317a.

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

Установлено, что двумерное соединение Tl-Bi обладает уникальной упорядоченной структурой, основанной на плотной упаковке элементов нескольких типов без образования дальнего порядка (рисунок 7). Такая структура является примером Архимедова паркета в атомном масштабе и открывает возможности формирования низкоразмерных материалов с необычным строением.

(а) СТМ изображение поверхности (Tl, Bi)/Si(111), (b) изображение фрагмента поверхности с элементами мозаики, (с) схематическое изображение, иллюстрирующее форму и размер элементов мозаики А1, В2 и С3.

Рисунок 7 - Мозаичная структура двумерного сплава Tl-Bi

D.V. Gruznev, L.V. Bondarenko, A.V.Matetskiy, A.N. Mihalyuk, A.Y. Tupchaya, O.A. Utas, S.V. Eremeev, C.R.Hsing, J.P. Chou, C.M. Wei, A.V. Zotov, A.A. Saranin. Synthesis of two-dimensional TlxBi1-x compounds and Archimedean encoding of their atomic structure // Scientific Reports. 2016. Vol.6. Articlenumber: 19446. DOI:10.1038/srep19446.

В лабораторных условиях получена генерация суперконтинуума в природных спикулах стеклянной губки Sericolophushawaiicus длиной до 50 см при возбуждении лазерными импульсами титан-сапфирового фемтосекундного лазера в диапазоне интенсивностей лазерного излучения 1-100 ТВт на центральной длине волны 800 нм. Получены спектры суперконтинуума в диапазоне длин волн 650-900 нм (рисунок 8) аналогичные спектрам, генерируемым в искусственных фотокристаллических волокнах. Показано, что состав и строение спикул может представлять интерес для низкотемпературного синтеза оптоволоконных материалов.

Рисунок 8 - Спектры лазерного излучения (пунктирная линия) и суперконтинуума (сплошная линия), генерируемого в природных спикулах стеклянной губки Sericolophushawaiicus

Ehrlich, H., Maldonado, M., Parker, A. R., Kulchin, Y. N., Schilling, J., Köhler, B., Skrzypczak, U., Simon, P., Reiswig, H. M., Tsurkan, M. V., Brunner, E., Voznesenskiy, S. S., Bezverbny, A. V., Golik, S. S., Nagorny, I. G., Vyalikh, D. V., Makarova, A. A., Molodtsov, S. L., Kummer, K., Mertig, M., Erler, C., Kurek, D. V., Bazhenov, V. V., Natalio, F., Kovalev, A. E., Gorb, S. N., Stelling, A. L., Heitmann, J., Born, R., Meyer, D. C. and Tabachnick, K. R. Supercontinuum Generation in Naturally Occurring Glass Sponges Spicules // Advanced Optical Materials. 2016. Vol. 4. Is. 10. P. 1608–1613. DOI: 10.1002/adom.201600454.

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления

Секция проблем машиностроения и процессов управления

28. Система много-критериального связного анализа, обеспечения и повышения прочности, ресурса, живучести, надежности и безопасности машин, машинных и человеко-машинных комплексов в междисциплинарных проблемах машиноведения и машиностроения, научные основы конструкционного материаловедения

Разработаны методы и алгоритмы оптимального параметрического синтеза сложных технических систем с элементами настройки. Для некоторых видов случайных процессов разрегулирования получены аналитические решения задачи выбора оптимальных значений настроек по критерию надежности. Разработаны алгоритмические методы решения этой задачи для произвольного характера случайных изменений параметров. Алгоритмические и программные средства ориентированы на использование технологии параллельных вычислений.

Абрамов О.В. Выбор оптимальных значений параметров настройки технических устройств и систем // Автоматика и телемеханика. 2016. №4. С. 55-66.

31. Общая теория систем управления и информационно-управляющих систем, методы и средства коммуникационно-сетевого управления многоуровневыми и распределенными динамическими системами в условиях неполной информации

Создан новый метод совмещения трехмерных моделей деформируемых деталей, получаемых с помощью системы технического зрения, с их эталонными CAD-моделями. Предложенный метод предполагает преобразование указанных моделей в облака точек, специальное уплотнение этих облаков и их последующее итеративное совмещение, которое реализуется с использованием алгоритма ICP, повышающего точность совмещений с учетом реальной деформации закрепляемых детали. В результате удается обеспечить высокоточную автоматическую обработку с помощью манипуляторов гибких деталей сложной геометрической формы, значительно деформирующихся в процессе их закрепления.

а) б)

Рисунок 9 – Преобразование моделей в облака точек: а - исходное положение облаков точек перед их совмещением;

б - результат совмещения облаков точек CAD-модели и модели деформированной детали

Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А., Зуев А.В., Губанков А.С., Мурсалимов Э.Ш. Разработка метода совмещения трехмерных моделей обрабатываемых деталей с их CAD-моделями при наличии деформаций // Проблемы машиностроения и автоматизации. № 3. 2016. С. 60-69.

Разработан алгоритм идентификации частично наблюдаемого технологического объекта в условиях малой выборки данных и ошибок измерений выхода с учетом ограничений на коэффициенты модели. Тестирование предложенного алгоритма на промышленном объекте установки первичной переработки нефти показало, что достигнуто снижение значения среднеквадратической ошибки прогноза на проверочной выборке на 43 % по сравнению с традиционными методами, что в свою очередь приводит к увеличению отбора наиболее ценных продуктов на 0,5 % и подтверждает практическую значимость результата.

Рисунок 10 - Блок-схема предложенного алгоритма идентификации

Гончаров А.А., Торгашов А.Ю., Жуков И.В. Идентификация массообменных технологических объектов с учетом ограничений на параметры модели // Автоматизация в промышленности. 2016. № 6. С. 34-38.

Секция механики

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

Предложена математическая модель последовательного роста необратимых деформаций в материалах с упругими, вязкими и пластическими свойствами. Большие необратимые деформации не разделяются на деформации пластичности и ползучести. На стадии процесса, предваряющего пластическое течение, и при разгрузке механизмом накопления необратимых деформаций является его ползучесть, а в условиях соответствия напряжений поверхности нагружения механизм ползучести меняется на механизм пластического течения. Модель иллюстрируется решением задачи о деформировании материала, расположенного между жесткими цилиндрическими поверхностями.

Рисунок 11 - Распределение угла поворота по цилиндрическому слою

Бегун А.С., Буренин А.А., Ковтанюк Л.В. Большие необратимые деформации в условиях изменяющихся механизмов их производства и проблема задания пластических потенциалов // Доклады Академии наук. 2016. Т. 470. № 3. С. 275-278.

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

Предложена оригинальная численная модель и разработан программный комплекс для исследования нестационарных процессов в трехмерных пористых объектах с внутренними источниками энерговыделения при саморегуляции расхода проходящего через объект газа. Достоинством данной численной модели является её способность описывать нестационарные процессы не только при принудительной фильтрации, но и в условиях естественной конвекции, которые характерны для очагов тепловыделения в пористых средах, возникающих в результате природных или техногенных катастроф.

Рисунок 12 - Пример результата расчета на разработанном программном комплексе: температура твердой среды в пористом объекте. Изображение посредством объемного рендеринга (a) и двух плоскостей сечений (b)

Луценко Н.А. Численное моделирование трехмерных нестационарных течений газа через пористые объекты с источниками энерговыделения // Вычислительная механика сплошных сред. 2016. Т. 9. № 3. С.331-344.

На основе исследования особенностей распространения осесимметричных волн деформаций в разносопротивляющихся материалах получены новые аналитические решения нестационарных одномерных краевых задач ударного деформирования разномодульной упругой среды, ограниченной сферой. Указано краевое условие, приводящее к возникновению сходящейся сферической ударной волны с постоянной скоростью. Определен режим граничного воздействия, при котором возникает сферический слой постоянной плотности – переходная зона между областями сжатия и растяжения.

Рисунок 13 - Нестационарное радиальное деформирование разномодульной упругой сферы

Рагозина В.Е., Дудко О.В. Движение сходящихся сферических волн деформаций в разномодульной упругой среде // Прикладная механика и техническая физика. 2016. Т. 57. № 4(338). С. 149-157.

Секция энергетики

Созданы новые программные модули для расширения функциональных возможностей информационно-аналитических систем в теплоэнергетике. Разработанное программное обеспечение предназначено для оценки эффективности энергосбережения за счет контроллеров отопления и для поддержки принятия решений при настройке режимов погодного регулирования с учетом параметров отапливаемого объекта с целью обеспечения наилучшего с точки зрения экономии и комфорта режима теплоснабжения.

Рисунок 14 - Контроль регулирования теплоснабжения по температурному графику

Кузнецов Р.С., Чипулис В.П. Информационно-аналитическое обеспечение систем мониторинга, анализа и управления объектами теплоэнергетики // Вестник ДВО РАН. 2016. №4. С. 116-124.

Чипулис В.П., Кузнецов Р.С. СКУТЕР – Анализ режимов регулирования // Официальный бюллетень «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем». M: РОСПАТЕНТ. №1(111) 2016. Свидетельство №2015662895.

Чипулис В.П., Кузнецов Р.С. СКУТЕР – График регулирования // Официальный бюллетень «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем». M: РОСПАТЕНТ. №12(110) 2015. Свидетельство №2015662442.

Отделение математических наук

Секция прикладной математики и информатики

3. Математическое моделирование

Исследована динамика размерной структуры популяции в условиях изменения среды обитания без промысла и под его воздействием. Исследовано воздействие пополнения на популяционную динамику и вылов. Выявлен сглаживающий эффект размерной структуры по отношению к изменениям среды обитания и промыслу. Сезонные изменения в среде обитания способствуют еще большей устойчивости популяции.

Рисунок 15 - Динамика плотности численности рыб по размеру x (в относительных единицах) при отсутствии промысла (слева) и при оптимальном промысле (справа). По вертикальной оси – время t (в годах)

Abakumov A.I., Il'in O.I. and Ivanko N.S. Game problems of harvesting in a biological community // Automation and Remote Control. 2016. Vol. 77. Iss. 4. P. 697-707. DOI: 10.1134/S0005117916040135.

Абакумов А.И., Израильский Ю.Г. Эффекты промыслового воздействия на рыбную популяцию // Математическая биология и биоинформатика. 2016. Т.11. № 2. С. 191-204.

Исследовано влияние скорости восстановления ресурсов, необходимых для жизнедеятельности вида, на популяционную динамику. Показано, что эффекты запаздывания приводят к возникновению квазипериодической динамики. Двухлетние колебания реализуются, когда регуляция роста численности осуществляется через плотностно-зависимое лимитирование в текущем году. Модель применена к описанию динамики численности популяций насекомых. Показано, что для анализа и описания динамики реальных популяций необходимо дополнительное исследование динамических режимов модели в окрестности найденной точечной оценки.

Рисунок 16 - а) Карта динамических режимов модели Морана-Рикера при запаздывании в один год, дополненная точечными оценками, соответствующими динамике реальных популяций;

б) фрагмент карты динамических режимов, выделенный прямоугольником;

в) бассейн притяжения предельных динамических режимов

Neverova G.P., Yarovenko I.P., Frisman E.Y. Dynamics of populations with delayed density dependent birth rate regulation // Ecological Modelling. 2016. Vol. 340. P. 64–73. DOI: 10.1016/j.ecolmodel.2016.09.005