2020

Важнейшие научные результаты, полученные ФИЦ ХФ РАН в 2020 году и итоги реализации Программы фундаментальных научных исследований в 2020 году

Современные требования к безопасности использования взрывчатых веществ (ВВ) обусловливают повсеместную замену традиционных ВВ на менее чувствительные к механическим и тепловым воздействиям. При этом наиболее предпочтительным методом инициирования детонации таких ВВ является воздействие лазерного импульса относительно малой интенсивности. Для осуществления лазерного инициирования детонации, ВВ помещают в специальную оболочку с прозрачным окном для входа лазерного луча. До настоящего времени осуществить прямое лазерное инициирование детонации ВВ не удавалось. Поэтому большим достижением является реализованное в ФИЦ ХФ РАН прямое (без оболочки) инициирование детонации малочувствительного ВВ лазерным импульсом малой энергии.

| | |
| --- | --- |
|   |   |
| Рис. 1 | Рис. 2 |

На рис. 1 показан пример экспериментальной записи свечения детонации ВВ от воздействия лазерного импульса в опыте с двумя фотоэлементами. Используя фотоприёмники с разными спектральными характеристиками можно определять, как время задержки детонации, так и скорость разлёта конденсированных продуктов детонации. На рис. 2 показан сконструированный и изготовленный фотометрический шар, используемый для определения доли лазерного импульса, рассеянного в окружающую среду облучаемым образцом ВВ.

авторы: Мелик-Гайказов Г.В., Кузнецов Г.П., Ассовский И.Г.

По результатам исследований подготовлена статья для публикации в журнале «Nature hotonics».

Новый масс-спектральный метод анализа следовых количеств органических соединений в газовой фазе

Разработана новая масс-спектральная методика обнаружения и «мягкого» анализа следовых количеств органических соединений (аналита A) в газовой фазе, существенно повышающая достоверность идентификации соединений по масс-спектрам. Методика основана на регистрации комплексов молекул аналита с ионами металла M+, образующимися в ионном источнике с лазерной плазмой. Образование простых комплексов (MA)+ без разрушения структуры органической молекулы позволяет надежно идентифицировать аналит. Продемонстрирована возможность идентификации следовых количеств углеводородов в аргоне, азоте и воздухе с пределом детектирования на уровне 10 ppb. Предлагаемый метод может быть использован для  анализа следовых количеств органических соединений в воздухе без предварительной пробоподготовки и может найти применение в медицине (диагностика заболеваний по анализу органических соединений в выдохе пациента) и экологическом мониторинге.

Рис. Схема установки.

Nd:YAG лазер для генерации потока катионов металла с поверхности металлической мишени; ионный источник времяпролетного масс-спектрометра RFQ с ортогональным вводом ионов, система подачи газов

Авторы:  В.В. Филатов, В.В. Зеленов, И.В. Сулименков, В.С. Брусов, В.И. Козловский

Результаты опубликованы:

Kozlovskiy V., Filatov V., Nikiforov S., Sartakov B., Pento A., Bukharina A., Sulimenkov I., Brusov V., Fabelinskii V., Simanovsky Ya. Interaction of organic molecules with metal ions formed in the laser plasma. ХХI Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, 9 –13 September, Saint Petersburg, Russia // Book of Abstracts. – 2019. – Vol. 4. – P. 187.

Важнейшие научные результаты, полученные в 2020 году и итоги реализации Программы фундаментальных научных исследований в 2020 году

Новый материал для особочувствительных сенсоров водорода

Синтезированы нанокомпозиты SnO2-In2O3 импрегнированием наночастиц In2O3 раствором SnCl4 с последующим превращением SnCl4 в SnO2. Используемый метод приводит к возникновению нанокластеров SnO2 размером 3-5 нм на поверхности кристаллов In2O3. Этот процесс сопровождается переносом ионов индия в решетку нанокластеров. Внедрение ионов In в нанокластеры SnO2 вызывает деформацию их решетки (рис.1a,b) и увеличивает содержание кислородных вакансий и, соответственно, содержание хемосорбированного кислорода, реагирующего с водородом. Эти эффекты приводят к резкому увеличению чувствительности сенсора к водороду (рис.1b). Так максимальный сенсорный отклик композита 40% SnO2-60% In2O3 на 1100 ppm H2 имеет рекордное значение – 1400 , что в 20 раз выше отклика чистого In2O3, а время отклика не превышает 1 сек. Данные результаты могут быть использованы при разработке особочувствительных сенсоров водорода, в том числе в рамках выполнения плана мероприятий "Развитие водородной энергетики в РФ до 2024 года"

Рис. 4. а – Структура композита 40% SnO2 -60% In2O3:1 - наночастицы In2O3; 2 - кластеры SnO2, образующиеся на поверхности In2O3; б - Зависимость максимального отклика сенсора на 1100 ppm H2 (синяя) и межплоскостное расстояние d (110) SnO2 (красная) от содержания оксид олова в композитах SnO2-In2O3.

Авторы: Г.Н. Герасимов, В.А. Громов, М.И. Иким, О.Ю. Илегбуси, С.А.Озерин, Л.И Трахтенберг

Результаты исследований представлены в статье G.N. Gerasimov, V.F. Gromov, M.I. Ikim, O.J. Ilegbusi, S.A. Ozerin, L.I. Trakhtenberg, Structure and gas-sensing properties of SnO2-In2O3 nanocomposites synthesized by impregnation method, Sensors and Actuators B: Chemical, 2020, V. 320, P. 128406 (1-7).

Методика для ускоренного анализа индивидуальных протеомов

Одним из ключевых подходов в современной концепции персонализированной медицины является анализ индивидуальных протеомов. Тандемная масс-спектрометрия является основным методом такого анализа. Однако, необходимость измерения масс-спектров фрагментации большого количества пептидов является причиной того, что анализ одной пробы занимает несколько часов инструментального времени. Разработан новый метод прямой масс-спектрометрической идентификации белков, DirectMS1, представленный схематически на рисунке. Метод исключает стадию фрагментации, что дает возможность использования ультракороткого разделения протеомных смесей. В первых экспериментах удалось достичь глубины анализа в 1000 белков для клеточных протеомов за несколько минут разделения. В 2020 г. метод был усовершенствован, включив использование современных алгоритмов машинного обучения. В результате, удалось удвоить его эффективность и достичь глубины в 2000 белков за несколько минут анализа, что сравнимо с возможностями многочасового эксперимента на основе фрагментации. Метод может быть широко использован в популяционной протеомике, в поиске маркеров заболеваний и мишеней лекарственного воздействия,  при создании диагностических тест-систем, а также востребован в рамках национального проекта «Здравоохранение» и в международных проектах

Авторы: Mark V. Ivanov, Julia A. Bubis, Vladimir A. Gorshkov, Irina A. Tarasova, Lev I. Levitsky, Anna A. Lobas, Elizaveta M. Solovyeva, Marina L. Pridatchenko, Frank Kjeldsen and Mikhail V. Gorshkov.

Опубликовано в Analytical Chemistry 2020, 92 (6), 4326-4333

DOI: 10.1021/acs.analchem.9b05095

Переработка отходов с помощью импульсно-детонационного парогенератора.

Впервые в мире на новых физических принципах разработан, изготовлен и испытан импульсно-детонационный пароперегреватель (ИДП), позволяющий получать перегретый пар с температурой выше 2000 ºС при атмосферном давлении благодаря циклической детонации тройных смесей «горючий газ–кислород–водяной пар». В рамках ГЗ создана установка-демонстратор для глубокой паровой конверсии органических коммунальных и промышленных отходов в энергетический газ или синтез-газ (смесь СО и Н2). Благодаря рабочему процессу с циклическим заполнением ИДП холодной горючей смесью и подачей в охлаждаемый сферический реактор встречных импульсных сверхзвуковых струй перегретого пара вместе с измельченными отходами, в установке успешно решены проблемы эффективности конверсии и теплового состояния конструкции: частицы отходов газифицируются, многократно попадая в вихревые зоны в центральной части реактора, при этом ударные волны, сопровождающие подачу сверхзвуковых струй, предотвращают агломерацию частиц. Данная разработка можнет быть использована в рамках национального проекта «Экология».

| | |
| --- | --- |
|   |   |
| (а) | (б) |

Рис. 1 Схема установки-демонстратора для глубокой паровой конверсии органических коммунальных и промышленных отходов и фотография импульсно-детонационного пароперегревателя с реактором

.

Авторы: Фролов С. М., Сметанюк В. А., Шамшин И. О., Коваль А. С., Фролов Ф. С., Набатников С. А.; статья опубликована в журнале Доклады академии наук, 2020, т. 490, c. 57–61 (DOI: 10.31857/S268695352001015X)

МД моделирование изменения формы свободной энергии ДНК в водно-солевом растворе

В рамках разработанной в лаборатории крупнозернистой (сахарной) модели ДНК методом метадинамики проведено вычисление изменения формы свободной энергии при конформационном А-В переходе в короткой молекуле ДНК в водно-солевом растворе. МД моделирование в рамках разработанной модели для NaDNA привело к ожидаемому переходу из В-формы в А-форму. Изменение формы свободной энергии с изменением управляющего параметра оказалось классическим для перехода первого рода. Построенная крупнозернистая модель позволяет не только провести расчеты эволюции ДНК с намного меньшими затратами вычислительных ресурсов, но и качественно описать конформационные переходы, которые невозможно получить при помощи расчетов в традиционно используемых полноатомных моделях. Построенная крупнозернистая модель верифицирована сравнением с экспериментальными данными. В настоящее время разработанная в ФИЦ ХФ РАН крупнозернистая модель является единственной моделью, которая дает возможность описать молекулу ДНК не в одной конформации, а универсально описывает различные конформационные формы ДНК и переходы между ними.

| | |
| --- | --- |
|   |   |
| а) | б) |

а) Гистограмма распределения параметров спирали в области В-А перехода NaDNA в рамках крупнозернистой (сахарной) модели. Область Е-формы не заселена; б) изменение формы свободной энергии NaDNA при изменении управляющего параметра.

Исполнители: Зубова Е.З., Ковалева Н.А., Стрельников И.А.

Natalya A. Kovaleva, Ivan A. Strelnikov, and Elena A. Zubova Kinetics of the conformation transformation between B- and A-forms in the Drew-Dickerson dodecamer/ ACS Omega, 2020. принята к печати. DOI 10.1021/acsomega.0c0424

Внедрение научных разработок ФИЦ ХФ им. Н.Н. Семёнова РАН в реальный сектор экономики.

Руководитель работ. В.Г. Никольский

В совместной работе с АО «Энерготекс» (г.Курчатов, Курская обл.) продолжается промышленное внедрение технологии получения порошковых модификаторов (ПМ) на основе методов высокотемпературного сдвигового измельчения /соизмельчения (ВСИ и ВССИ) в РФ. Переработка этими методами отходов шинной резины (неразлагаемых техногенных отходов) и последующее применение полученных ПМ для увеличения долговечности асфальтобетонных дорожных покрытий направлены на решение задач двух национальных проектов: «Экология» и «Безопасные и качественные автомобильные дороги». Технико-экономические расчеты, выполненные с учетом требований Технического регламента Таможенного союза «Безопасность автомобильных дорог» (ТР ТС 014/2011) показали, что в процессе эксплуатации дорожного покрытия, в составе которого наряду с дорожным битумом использован ПМ, достигается экономия за время жизненного цикла дороги, по сравнению с покрытием без ПМ:

Эксплуатационных расходов: 8,42 млн.руб/км
Социально-экономических потерь пользователей: 29,32 млн.руб/км
Интегральных дисконтированных затрат 7,71 млн.руб/км

2.

В совместной работе с АО «Институт Гипростроймост» (Москва), АО «Энерготекс» (г.Курчатов, Курская обл), АО «Асфальт» (Благовещенск). В 2020 году принят в эксплуатацию автодорожный мостовой переход через реку Амур в районе городов Благовещенск (РФ) – Хэйхэ (КНР). При укладке дорожного покрытия через р. Амур, Каникунгарскую протоку и подъездов к ним, впервые в РФ было применено инновационное композиционное резино-полимерное битумное вяжущее, на основе ПМ ПОЛИЭПОР-РП, полученное по технологии ВССИ. По результатам лабораторных испытаний и данных мониторинга зимы 2019/2020 гг. (суточные перепады температур от +2..5°С до −20°С; минимальная температура −33°С) прогнозируется высокое сопротивление дорожного покрытия пластической деформации (колейности), усталостному и низкотемпературному растрескиванию.

В совместной работе с АО «Институт Гипростроймост» (Москва), Сибирским Государственным Университетом путей сообщения (Новосибирск), АО «Энерготекс» (г.Курчатов, Курская обл.) были подготовлены и утверждены Специальные технические условия по проектированию капитального ремонта моста через Северную Двину (Согласованы Минстроем № 24528-ИФ/03 от 26.06.2020) с обоснованием возможности уменьшения толщины асфальтобетонного покрытия на 15% при применении ПМ ПОЛИЭПОР-РП, что позволяет при проведении капитального ремонта отказаться от замены пролетных конструкций разводного моста, являющегося частью федеральной трассы, и избежать закрытия судоходства. Начало капитального ремонта – 2021г. Принятое решение основано на Протоколах исследований реологических свойств российских дорожных битумов и РПБВ на их основе, модифицированных ПМ ПОЛИЭПОР-РП, предоставленных ФИЦ ХФ РАН в соответствии с запросом АО «Институт Гипростроймост» (Москва) (письмо № 2794-ДО от 22.05.2020).