Исследования и университетская наука

спектроскопия

1 / 3

Космическая пыль научит, как следить за земными отходами

Физики Дальневосточного федерального университета и их зарубежные коллеги разработали новый метод исследования пыли в космосе и в атмосфере Земли. Результаты их работ опубликованы в журналах Optics Letters и Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer.

Метод основан на эффекте Умова: существует строгая математическая связь между отражающей способностью космического тела и степенью поляризации отраженного от него света. В начале XX века, когда профессор МГУ Николай Умов открыл эту связь, считалось, что закон верен только для крупных космических тел, таких как планеты.

Теперь доказано, что закон Умова действует и для частиц пыли, размер которых сравним с длиной волны света,— хотя чем мельче частицы, тем меньше они похожи на идеальный шар. Кроме того, частица размером около микрона рассеивает свет иначе, чем макрообъект. Дальневосточные физики изучали рассеяние света частицами неправильной формы двух разных типов — и обнаружили, что они одинаково подчинялись закону Умова. Оказалось также, что по поляризации отраженного света можно оценить плотность и размеры частиц в пылевом облаке.

"Закон Умова проявляется одинаково как на больших объектах, например Луне, так и на микронных частицах космической или атмосферной пыли. Этот эффект позволяет очень точно оценить концентрацию пылевых частиц — в земной атмосфере или в космосе",— говорит ведущий научный сотрудник Школы естественных наук ДВФУ Евгений Зубко.

В атмосфере Земли ежегодно происходит перенос на тысячи километров миллиардов тонн вещества, в том числе отходов промышленности. Мониторинг этих аэрозолей станет точнее и информативнее.

материаловедение

Модель пьезоэлектрического наносэндвича из графена с полимером

Ученые Института математических проблем биологии РАН (ИМБП) смоделировали пьезоэлектрические свойства (способность индуцировать электрический заряд на своей поверхности при деформации) нового композитного материала с графеном. Модель позволила выбрать оптимальную структуру пьезоактивного композита в виде сэндвича из слоя полимера между двумя слоями оксида графена.

В 2012 году пьезоэлектрические свойства были открыты у одной из разновидностей графена. Появилась возможность создавать пьезоактивные наноматериалы. Свой вклад в разработку таких наноматериалов внесли ученые из Московского института электронной техники, которые поставили себе цель повысить пьезоэлектический эффект тонкой пленки полимеров за счет добавки в композит оксида графена.

Но вместо ожидаемого увеличения пьезоэлектрического коэффициента они получили его уменьшение. Тогда математики из группы компьютерного моделирования наноструктур ИМПБ построили модели разных взаимодействий графеновой пленки с полимером (использовались поливинилиденфторид и политрифторэтилен) и имитировали электрическое поле. Модели показали, что при концентрации графена в композите 1% пьезоэффект сильно снижается, но при повышении концентрации начинает увеличиваться. Стала понятна и причина отрицательного воздействия графена на пьезоэлектрические свойства полимерного композита: они пропадали в двухслойной структуре полимер--графит, но резко усиливались, когда композит строился по принципу сэндвича графен--полимер--графен.

У композитов на основе поливинилиденфторида более высокие пьезоэлектрические коэффициенты, чему других полимерных материалов, а в присутствии графена пьезоэлектрическая активность композита станет еще выше, что открывает возможность создать новый класс перспективных пьезоэлектрических наноматериалов.

компьютерные науки

Персональные компьютеры могут работать быстрей суперкомпьютеров

Ученые НИИ ядерной физики МГУ им. М.В.?Ломоносова для расчета сложных уравнений квантовой механики вместо суперкомпьютеров используют обычные персональные компьютеры с мощным графическим процессором. Работа опубликована в июльском выпуске журнала Computer Physics Communications.

Группа физиков под руководством профессора Владимира Кукулина нашла простое решение сложнейшей задачи. По словам профессора Кукулина, ученые сами не ожидали, насколько эффективным окажется их подход. Персональный компьютер с мощной видеокартой справляется с вычислением 260 млн сложных двойных интегралов за три секунды, а за 15 минут выполняет работу, на которую суперкомпьютеры, время работы на которых расписано между научными коллективами на годы вперед и стоит дорого, тратят два-три дня.

Уравнения, о которых идет речь, сформулировал в 1960-х годах российский математик, академик Людвиг Фаддеев, для описания процесса рассеяния нескольких квантовых частиц. Это квантово-механический аналог классической задачи Исаака Ньютона о движении трех тел друг относительно друга — например, Солнца, Земли и Луны. Несмотря на кажущуюся простоту, решить эту задачу чрезвычайно сложно — существует всего пять формул, и все они описывают конкретное взаиморасположение: тела лежат на одной прямой, по углам равностороннего треугольника и т. д.

Академик Фаддеев создал уравнения для решения аналогичной задачи для небольшого числа квантов, но решать их оказалось невероятно сложно. Ситуация сдвинулась с мертвой точки только с появлением суперкомпьютеров. Главной проблемой было вычисление интегрального ядра — громадной таблицы, каждый элемент которой сам был результатом сложных вычислений. Но эту же таблицу оказалось возможно представить как экран с десятками миллиардов пикселей, а мощный графический процессор как раз и способен строить такие экраны. Физики из МГУ разбили вычисления на много тысяч потоков и смогли решить задачу. По тому же принципу можно решать другие вычислительные задач — в физике плазмы, электродинамике, геофизике, медицине и др. Но главное в другом: теперь российские ученые не ограничены отсутствием доступа к суперкомпьютерам.