2019 год
Основные результаты фундаментальных и прикладных исследований за 2019 год
Отделение нанотехнологий и информационных технологий
Секция нанотехнологий
Показано, что металлорганические каркасные структуры (MOFs) обладают физическими свойствами, подходящими для создания на их основе технологий передачи энергии, хранения данных, обнаружения радиации (рисунок 1). Они являются перспективными для использования топологических и других нетрадиционных электронных эффектов в микро и нано электронике, фотонике В том числе, для хранения и записи с более высокой плотностью и скоростью классической и квантовой информации, квантовых вычислениях, генерации электромагнитных полей в видимом и свервысокочастотных диапазонах (рисунок 2).
Рисунок 1 - Применение MOFs в современной физике
Рисунок 2 - Вероятность проявления различных физических эффектов в 2D MOFs
Yuri A. Mezenov, Andrei A. Krasilin, Vladimir P. Dzyuba, Alexandre Nominé, Valentin A. Milichko. Metal–Organic Frameworks in Modern Physics: Highlights and Perspectives // Advanced Science. 2019. No 6(17). P. 3-15.
Предложен экономически эффективный подход к крупномасштабному изготовлению кремний-германиевых наночастиц полусферической формы, обладающих собственным откликом комбинационного рассеяния света, регулируемым за счёт изменения концентрации германия. Наночастицы применены для неинвазивного обнаружения молекул 4-аминотиофенола (4-АТФ) с температурным откликом и субволновым пространственным разрешением (рисунок 3). Полученные результаты, предоставляющие информацию о составе аналита, температурном отклике наночастиц и их пространственном положении, важны в области передовых многоканальных оптических исследований.
Рисунок 3 - Неинвазивная ГКРС-идентификация молекул 4-АТФ с температурной обратной связью. Изображение легированных Si1-xGex наночастиц с молекулами 4-АТФ, адсорбированными на их поверхности. Снизу изображены спектры ГКРС молекул 4-АТФ, адсорбированных на Si0.93Ge0.07 нанорезонаторе, при интенсивностях лазерной накачки 5.5 и 10 мВт/мкм2. На вставке изображён увеличенный участок спектров вблизи полосы кремния
E. Mitsai, M. Naffouti, D. Thomas, M. Ababrchi, L. Hassayoun, D. Storozenko, A. Mironenko, S. Bratskaya, S. Juodkazis, S. Makarov, A. Kuchmizhak. Si1−xGex nanoantennas with tailored Raman response and light-to-heat conversion for advanced sensing applications // Nanoscale. 2019. No 11. P. 11634-11641. DOI: 10.1039/c9nr01837a.
Показано, что непрямые экситоны (IX) возбуждаемые на поверхности раздела диэлектрических наночастица (НЧ) – матрица проявляют свойства топологичности и переходят в непрямой 2D экситон с ростом радиуса НЧ. Это приводит к гигантской по сравнению с атомными и молекулярными электронными переходами поляризуемости НЧ, пропорциональной отношению диэлектрической проницаемости поверхности раздела и массы IX. Обнаружено, что зависимость энергетического спектра IX от размера НЧ слабо влияет на поляризуемость НЧ. Таким образом диэлектрические НЧ могут быть источниками высокополяризованных НЧ и долгоживущих топологических IX. Это важно для экситонной физики, приборостроения и нанотехнологий, где экситоны являются основным элементом, определяющим требуемые свойства.
Рисунок 4 - Энергетический спектр IX относительно дна зоны проводимости в зависимости от радиуса НЧ () и орбитального квантового числа в единицах энергии связи 2D экситона
Vladimir P. Dzyuba, Sergey I. Pokutnyi, Andrey V. Amosov, Yuri N. Kulchin. Indirect Excitons and Polarization of Dielectric Nanoparticles // J. Phys. Chem. C. 2019. No 123. P. 26031-26035.
Секция информационных технологий и автоматизации
Предложена дискретная во времени модель динамики сообщества «хищник – жертва», ориентированная на описание динамики численности сообщества «песец – мышевидные грызуны». Показано, что, наряду с устойчивым развитием сообщества, возможны сложные колебания численностей взаимодействующих видов, в том числе длиннопериодические колебания с запаздыванием, подобные автоколебаниям в классической модели Лотки-Вольтерры (рисунок ). Показано, что соотношение текущих численностей хищника и жертвы определяет под чью динамику подстраивается поведение сообщества в целом. При этом вариация текущих численностей может привести к смене наблюдаемого режима динамики.
Рисунок - Траектории модели, соответствующие квазипериодической (а,б) и хаотической динамике (в).
1 и 2 – динамика численностей ювенильной и зрелой части популяции жертвы,
3 и 4 – динамика численностей молоди и половозрелых особей хищника.
Параметр r1 соответствует репродуктивному потенциалу жертвы, коэффициент β1 характеризует интенсивность плотностно-зависимого лимитирования рождаемости в популяции жертвы
NeverovaG.P., ZhdanovaO.L., BapanGhosh, FrismanE.Ya. Dynamics of a discrete-time stage-structured predator–prey system with Holling type II response function // Nonlinear dynamics. 2019. Vol. 98. Is. 1. P. 427–446. DOI: 10.1007/s11071-019-05202-3.
Неверова Г.П., Жданова О.Л., Фрисман Е.Я. Моделирование динамики сообщества «хищник – жертва» при наличии возрастных структур // Математическая биология и биоинформатика. 2019. Т.14. № 1. С. 77–93. DOI: 10.17537/2019.14.77.
Разработан и апробирован метод восстановления интегральной биомассы фитопланктона в пределах заданного водного географического объекта методами математического моделирования. Модель основана на использовании результатов дистанционного зондирования, верифицирована на основе экспедиционных исследований. Метод реализован для расчета биоресурсного потенциала Японского и части Охотского моря, а также – озера Иссык-Куль. Проведено сравнение фитопланктонного обилия в теплый 2015 и холодный 2016 годы (рисунок 5).
Рисунок 5 - Распределение интегральной биомассы фитопланктона в западнокамчатском районе Охотского моря в периоды с мая по октябрь в 2015 и 2016 гг.
Абакумов А.И., Пак С.Я., Морозов М.А., Тыныбеков А.К. Модельная оценка биомассы фитопланктона оз. Иссык-Куль по данным дистанционного зондирования // Биология внутренних вод. 2019. №4. Вып. 2. С. 90-97. DOI: 10.1134/S0320965219060020.
Pak S.Y., Abakumov A.I. Mapping of model estimates of phytoplankton biomass from remote sensing data // Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. 2019. P. 73-79. DOI: 10.1007/978-3-030-11720-711.
Построена онтология проблемной области «диагностика процессов». Она охватывает типы утверждений, устанавливающих соответствие между значениями причин и значениями следствий в закономерностях, используемых при диагностике объектов (или систем). Особенностью онтологии является возможность учесть динамику одного или нескольких признаков, использовать нечеткие шкалы для значений признаков либо меры доверия и выраженности признака. Онтология универсальна для диагностики в разных областях (рисунок 6). Определяемый в ее терминах универсальный решатель диагностики становится ядром эффективной технологии снижения затрат на автоматизацию диагностики в предметных областях.
Рисунок 6 - Возможности применения онтологии диагностики процессов
Грибова В.В., Шалфеева Е.А. Онтология диагностики процессов // Онтология проектирования. 2019. Том 9. № 4(34).
Отделение физических наук
Предложен и реализован высокопроизводительный метод фемтосекундной лазерной печати фотонных элементов в плёнках органо-неорганических перовскитов (CH3NH3PbI3), не разрушающий их оптические свойства в отличие от методов литографии, использующие жидкостное или ионное травление (рисунок 7). Предложенный метод позволяет изготавливать одномодовые микродисковые лазеры с минимальным размером 2 мкм и порогом лазерной генерации ~ 150 мкДж/см2 при наносекундной оптической накачке.
Рисунок 7 - Высокоскоростная лазерная печать дисковых микролазеров в плёнке перовскита CH3NH3PbI3 с использованием структурированного кольцеобразного пучка
а) схематическое представление печати дискового микролазера за один лазерный импульс в форме кольца;
б) и в) увеличенное СЭМ изображение и фотография упорядоченного массива 1×1 см2 напечатанных микродисков;
г) одномодовый спектр лазерной генерации единичного микродиска при оптической наносекундной накачке.
На врезках представлено увеличенное СЭМ изображение дискового микролазера (снизу) и его фотолюминесцентное изображение, сделанное в процессе лазерной генерации (сверху)
ZhizhchenkoA., SyubaevS., BerestennikovA., YulinA., PorfirevA., PushkarevA., ShishkinI, GolokhvastK., BogdanovA., ZakhidovA., KuchmizhakA., KivsharYu., MakarovS. Single-ModeLasingfromImprintedHalide-PerovskiteMicrodisks. ACS Nano. 2019. № 13(4). P. 4140-4147.
В подтверждение теории, предсказывающей возможность реализации в низкоразмерных электронных системах необычных квантовых коллективных явлений, например, эффекта слабой антилокализации, был синтезирован двумерный сплав Tl-Au на поверхности Si(111) и впервые экспериментально исследован эффект слабой антилокализации для случая, когда пленка имеет предельно малую толщину атомного масштаба.
Рисунок 8 - Микроскопическое изображение и атомное строение поверхности двумерного сплава золото-таллий на поверхности кремния Si(111) и проявление в нем эффекта слабой локализации в виде характерных зависимостей магнетосопротивления от величины магнитного поля и температуры
A.V. Matetskiy, N.V. Denisov, A.V. Zotov, A.A. Saranin. Weak antilocalization at the atomic-scale limit of metal film thickness. Nano Letters. 2019. Vol. 19. Iss.1. P. 570-575.
Разработан новый тип оптической сенсорной структуры для регистрации химических соединений в жидких и газовых средах. Структура представляет собой массив микрочастиц, фокусирующих возбуждающее излучение в чувствительный слой сенсора (рисунок 9а) за счет возникновения эффекта фотонной наноструи (ФНС, рисунок 9б). Установлено, что уменьшение показателя преломления чувствительного слоя приводит к увеличению интенсивности ФНС, повышая предел обнаружения сенсора (рисунок 9в), который, для случая газообразного аммиака в качестве аналита, составляет 0.05 ppm (рисунок 9г).
Рисунок 9 - Новый тип сенсорной структуры, функционирующей на основе эффекта фотонной наноструи:
а) схематическое изображение структуры;
б) численное моделирование процесса формирования фотонной наноструи в средах с различным показателем преломления;
в) реальные изображения фотонной наноструи, сформированной в чувствительном слое сенсора с различным показателем преломления и при различной концентрации аналита (шкала 5 мкм);
г) спектры люминесценции чувствительного слоя в максимуме фотонной наноструи при воздействии различных концентраций аналита
Sergeeva K.A., Tutov M.V., Voznesenskiy S.S., Shamich N.I., Mironenko A.Yu., Sergeev A.A. Highly-sensitive fluorescent detection of chemical compounds via photonic nanojet excitation // Sensors and Actuators B: Chemical. 2019. DOI: 10.1016/j.snb.2019.127354.
Sergeev A.A., Sergeeva K.A., Leonov A.A., Nepomnyaschiy A.V., Voznesenskiy S.S., Kulchin Yu.N. Luminescent sensing via photonic nanojets // Semiconductors. 2019. Vol. 53. No. 14. P. 18–21.
Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления
Секция проблем машиностроения и процессов управления
Предложен метод адаптивной идентификации параметров модели массообменного технологического объекта (МТО) управления в условиях, когда обучающая выборка мала и содержит зашумленные данные. Метод распространяется также на случаи, если плотности распределений бутстреп-оценок параметров моделей МТО могут быть бимодальными или многомодальными (рисунок 10). В результате применения предложенного подхода для промышленного МТО достигнуто увеличение точности прогнозирующих моделей в системе управления на 15%.
Рисунок 10 – Гистограммы и оценки плотностей распределения параметров МТО: а) бимодальное распределение; б) многомодальное распределение
Torgashov A., Skogestad S. The use of first principles model for evaluation of adaptive soft sensor for multicomponent distillation unit // Chemical Engineering Research and Design. 2019. Vol. 151. P. 70-78.
Разработаны и исследованы математические модели обратной задачи движения, целью решения которой являются оценки параметров траектории и пространственной ориентации движущегося объекта, т.е. местоположение, углы Эйлера-Крылова, их производные по времени, а также силы и моменты, обуславливающие выполнение траектории. Показано, что для решения задачи достаточно векторного ньютонометра и двух приёмников ГЛОНАСС. Вычислительный эксперимент: достигнуты оценки местоположения углов Эйлера-Крылова, удельных сил и моментов для сверхзвукового движения со скоростью 2,5 Маха (рисунок 12), имеющие среднеквадратические погрешности, соответственно равные 4,9м; 0,02°; 0,004 м⁄с2; 0,012 Нм.
Рисунок 11 – Элементы траектории движения: геодезические высота (a), широта и долгота (b)
Рисунок 12 – Оценки удельных сил (a) и углов Эйлера-Крылова (b)
Девятисильный А.С., Шурыгин А.В. Моделирование системы определения движения технологической платформы по данным позиционирования ГЛОНАСС и измерениям ньютонометров // Письма в журнал технической физики. 2019. № 18 (45). С.17-20.
Предложено включение обратной связи в модель для прогнозирования показателя качества выходного продукта массообменного технологического процесса. Построен фильтр, предсказывающий будущую ошибку прогноза. Предсказанная ошибка передается через обратную связь на выход модели, выполняя функцию поправки (рисунок 13). При достижении максимально возможной точности последовательность ошибок должна иметь постоянную спектральную плотность. Для проверки гипотезы о постоянстве спектральной плотности ошибок применяется критерий Колмогорова. Среднеквадратичная ошибка (СКО) модели с обратной связью оказалась на 14 % меньше, чем СКО модели без обратной связи.
Рисунок 13 – Прогнозирующая модель с обратной связью
Климченко В.В., Самотылова С.А., Торгашов А.Ю. Обратная связь в прогнозирующей модели реакционно-ректификационного технологического процесса // Известия РАН. Теория и системы управления. 2019. № 4. С. 144-155.
KlimchenkoV.V., SamotylovaS.A., TorgashovA.Yu. Feedback in a Predictive Model of a Reactive Distillation Process // Journal of Computer and Systems Sciences International. 2019. V.58. Is.4. P.637-647.
Секция механики
С использованием оригинальной численной модели исследовано влияние сжимаемости газа при моделировании процессов в гранулированных теплоаккумулирующих материалах с фазовыми переходами, в частицах которых происходят плавление и кристаллизация вещества без нарушения их целостности. Показано, что широко распространенное пренебрежение сжимаемостью газа при моделировании таких процессов может в определенной области параметров приводить к значительным погрешностям при расчетах (рисунок 14), а также не может гарантировать оценку сверху или снизу для реального времени процесса накопления или отдачи энергии тепловым аккумулятором.
Рисунок 14 – Пример зависимости температуры гранулированного материала от времени в тепловом аккумуляторе высотой 10 м на расстоянии x от входа, вычисленной с учетом сжимаемости газа (1, 3, 5) и без ее учета (2, 4, 6) при x=2.5 м (1, 2), x=5 м (3, 4), x=7.5 м (5, 6)
Lutsenko N.A., Fetsov S.S. Influence of gas compressibility on gas flow through bed of granular phase change material // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 130. P. 693-699.
С использованием оригинальной численной модели исследована газификация твердого пористого горючего в комбинированном заряде низкотемпературного газогенератора с последовательным расположением твердого топлива и горючего для генерации углеводородных газов, используемого в перспективных высокоскоростных летательных аппаратах (ВЛА). Так как продукты газификации твердого горючего используются для охлаждения материалов конструкции ВЛА, то проведенный посредством разработанной модели расчет температуры газа на выходе из газогенератора (рисунок 15) позволил определить ограничения на время работы двигательной установки ВЛА с указанным газогенератором при различных условиях.
Рисунок 15 – Пример зависимости температуры газа на выходе из газогенератора от времени
Salgansky E.A., Lutsenko N.A., Levin V.A., Yanovskiy L.S. Modeling of solid fuel gasification in combined charge of low-temperature gas generator for high-speed ramjet engine // Aerospace Science and Technology. 2019. Vol. 84. P. 31-36.
Получены новые решения задач о движении плоских и сферических упругих ударных волн в среде с предварительными пластическими деформациями, основанные на новом описании кинематики с учетом промежуточной конфигурации для мультипликативной градиентной модели больших упругопластических деформаций твердого тела. Впервые разработан общий алгоритм вычисления перераспределения исходных пластических деформаций. Такое перераспределение (рисунок 16), влияющее на итоговую геометрию среды, необходимо учитывать в высокоточных технологиях изготовления конструкций.
Рисунок 16 - Перераспределение предварительного поля пластических деформаций при движении сферической продольной упругой ударной волны сжатия с постоянной скоростью от границы сферического дефекта (простейший случай – перенос тензора пластических деформаций без вращения):
1 – начальные значения компонент prr, pff = pqqтензора пластических деформаций в момент t = 0;
2 – актуальные значения prr, pff = pqqв момент t = 10–6 с; r1, rS – мгновенные координаты (м) подвижной границы сферического дефекта и фронта ударной волны соответственно.
Кульчин Ю.Н., Рагозина В.Е., Дудко О.В. Учет влияния полей остаточных деформаций в современных физико-механических технологиях обработки конструкционных материалов // Письма в Журнал технической физики. 2019. Т. 45, Вып. 1. С. 27-30. DOI: 10.21883/PJTF.2019.01.47152.17487.
Дудко О.В., Рагозина В.Е. О динамике разгрузки и упругих волнах в среде с предварительно накопленными пластическими деформациями // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2019. № 3. С. 41-53.
Секция энергетики
Сформулированы принципы теории коллективных эффектов частичных разрядов (ЧР) в (потенциальных) дефектах изоляции ответственного высоковольтного электроэнергетического оборудования, заключающиеся в множественности дефектов как источников серий ЧР. Показано, что при коллективном действии множественных дефектов требуется дефрагментация интегральной картины (ИК) ЧР, являющейся основой для оценки его технического состояния и предупреждения отказов. Дефрагментация ИК ЧР может быть представлена как специальная математическая задача об оптимальном покрытии множества ЧР ИК; конкретные ограничения этой задачи опираются на развиваемую авторами математическую модель дефекта (рисунок 17).
Рисунок 17 – Формирование и дефрагментация интегральной картины частичных разрядов
Киншт Н.В., Борисов Б.Д., Петрунько Н.Н. Вопросы оценки множественных частичных разрядов в высоковольтном оборудовании // Электроэнергия. Передача и распределение. 2019. №2(53). С.108-112.
Kinsht N., Petrunko N. The Problem of the Partial Discharge Sources Enumeration in the HV Devices Insulation // International Journal of Electrical and Electronic Engineering & Telecommunications. 2019. Vol. 8. Is. 2. P.78-83.
Предложен метод корректировки результатов измерений учета тепловой энергии и горячей воды, повышающий их точность. Апробация и внедрение полученных результатов исследования осуществлено для административных учреждений, объектов народного образования, культуры, производственных помещений, на которых ведется учет тепловой энергии и горячей воды без потребления в ночную смену. Предлагаемый метод обеспечивает повышение точности учета тепловой энергии и горячей воды.
Рисунок 18 – Открытая система теплопотребления с циркуляционной системой ГВС
Чипулис В.П. Влияние погрешностей косвенных изререний на результаты учёта тепловой энергии и теплоносителя // Датчики и системы. №6 (237). 2019. С.14-21.
A.N. Vinogradov, V.P. Chipulis. Influence of Indirect Measurements on the Account of General Needs of Hot Water Consumption // IEEE Conference Publications: 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). 2019. P. 1-5.