2018

Важнейшие достижения 2018 года

Отдел полимеров и композиционных материалов

ЛОКАЛИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Современное развитие технологий предполагает создание микро- и наномасштабных устройств, содержащих углеродные наноструктуры, в частности, углеродные нанотрубки (УНТ). Электрон-фононное взаимодействие является фактором, существенно влияющим на электронные свойства нанотрубок. Поэтому, спонтанная локализация колебаний, вызванная нелинейным взаимодействием нормальных мод, может приводить к значительным изменениям электропроводности нанотрубок. В работе исследовано резонансное взаимодействие нелинейных нормальных мод, принадлежащих различным ветвям колебательного спектра УНТ – изгибной и кольцевой. Показано, что, благодаря зависимости частоты колебаний от их амплитуды, достигается необходимое условие резонанса, при котором нормальные моды образуют связанное состояние, характеризующееся неравномерным распределением амплитуды колебаний по поверхности нанотрубки. При этом энергия колебаний локализуется вдоль образующей на поверхности нанотрубки. Угловая ширина области локализации составляет величину порядка 1 рад. Энергия колебаний в области локализации в 2 – 2.5 раза превышает среднюю (Рис.1). Характерные времена такого процесса составляют порядка 106-107 периодов собственных колебаний нанотрубки, т.е. ~ 10-5-10-6 сек. Специфическим свойством такой локализации можно считать тот факт, что эффект связывания нормальных мод проявляется в ограниченном интервале амплитуд колебаний.

Рис. 1 (а) Распределение энергии колебаний по поверхности углеродной нанотрубки; (б) Комбинация изгибных и кольцевых колебаний углеродной нанотрубки.

МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПОЛИЛАКТИДЫ

ДЛЯ СОЗДАНИЯ СКЭФФОЛДОВ МЕТОДОМ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В среде сверхкритического диоксида углерода получены полимеризационноспособные биосовместимые композиции на основе полилактидов, модифицированных акрилатами и метакрилатами для аддитивных технологий. Осуществлена лазерная сшивка композиций методом 2-х фотонной полимеризации (двухфотонной 3D печати). Исследован комплекс физико-механических характеристик композиций, скорость их биоразложения, токсичность и адгезия к клеточным культурам. Показано, что лучшими физико-механическими характеристиками (гибкость, прочность), наименьшей токсичностью и наибольшей адгезией к клеточным культурам обладают сшитые системы на основе полилактидов, модифицированных производными метакриловой кислоты. Полученный биосовместимый трехмерно сшитый полимерный материал нетоксичен, обладает хорошей адгезией к клеткам и пригоден для использования в качестве матриц для изготовления имплантатов.

| | |
| --- | --- |
| (а) | (б) |

| | |
| --- | --- |
| (в) | (г) |

Рис.1. Схема получения сшитых материалов на основе модифицированного олигоуретанметакрилатами полилактида. а) схема реакции; б) 3Д-печать, в) полученные сшитые образцы с отверстиями для посева клеток, г) выживаемость клеточных культур, высеянных на полученном образце (1) и в эталонной токсичной среде (2).

МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КАПЛИ В КОАКСИАЛЬНЫХ КАПИЛЛЯРАХ В ПСЕВДОПЛАСТИЧНОЙ СРЕДЕ

Методами численного моделирования изучены закономерности формирования монодисперсных капель ньютоновской жидкости в коаксиальных капиллярах при их обтекании ньютоновской жидкостью или псевдопластичным раствором полимера (модель Carreau-Yasuda). Установлено, что в первом случае диаметр капель D заметно снижается с ростом отношения потоков Qc/Qd во внешнем и внутреннем капиллярах, тогда как при обтекании псевдопластичной средой размер формируемых капель значительно выше и слабо зависит от отношения Qc/Qd (рис. 1а). Данный эффект обусловлен изменением вязкости полимерного раствора при обтекании капли, истекающей из внутреннего капилляра (рис. 1б).

Рис. 1. (а) Зависимость диаметра капли от отношения потоков Qc/em>/Qd для псевдопластичной (заполненные символы) и ньютоновской (открытые символы) сплошных сред. (б) Поле вязкости псевдопластичной жидкой среды, обтекающей каплю ньютоновской жидкости при Qc/Qd = 30. Значения вязкости соответствуют цветам, приведенным на шкале.

Отдел динамики химических и биологических процессов

МОНИТОРИНГ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ CdSe В ПРОЦЕССЕ МЕЖФАЗНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА ПРИ ПОМОЩИ АНАЛИЗА ДИНАМИКИ КОГГЕРЕНТНЫХ ФОНОНОВ

<

Впервые выявлена динамика перераспределения во времени электрического поля в квантовой точке CdSe в процессе переноса электрона на внешний акцептор. Перенос электрона обусловлен реакцией тушения экситона 1Se-1S3/2 метилвиологеном адсорбированным на поверхности квантовой точки. Возбуждение экситона 1Se-1S3/2 сопровождается генерацией когерентных фононов (оптических и акустических), которые проявляются в динамике фемтосекундных дифференциальных спектров как квантовые осцилляции сигнала поглощения. Анализ квантовых осцилляций дал возможность найти проявления эффектов Франца-Келдыша и Штарка в квантовых точках, определить экситон-фононное взаимодействие, установить перераспределение электрического поля.

Нейронная активность субталамического ядра у пациентов с болезнью Паркинсона под действием местной и общей анестезии: мультифакторный анализ

Анализ нейронной активности у пациентов с двигательными расстройствами во время нейрохирургических операций позволяет надежно установить границы ядер-мишеней, используемых для вживления электродов, выявить очаги патологической активности и исследовать взаимосвязи между особенностями нейронной активности подкорковых структур и выраженностью определенных неврологических симптомов у пациентов. Выполнен анализ нейронной активности, записанной в ходе 8 стереотаксических операций на субталамическом ядре у пациентов с болезнью Паркинсона под общей (N=4) и местной (N=4) анестезией. В этом исследовании оценивали значения 25 параметров нейронной активности и использовали два различных статистических подхода (линейная логистическая регрессия и метод случайного леса), чтобы выявить, какие параметры наиболее чувствительны к изменению общего состояния пациента во время операции (местная анестезия – общая анестезия). Получено, что наиболее важные для описания состояния нейронной активности параметры связаны не столько со средней частотой активности нейрона, сколько с характеристиками «рисунка» активности (рис). Показано, что метод случайного леса, учитывающий взаимодействие между различными параметрами, более точно предсказывает состояние, в котором была записана нейронная активность, т.к. позволяет извлекать больше информации из полного набора значений параметров, – в отличие от линейной модели, в основе которой - независимость всех оцениваемых переменных.

Рис . Боксплоты 4 параметров с максимальным значением F-score.

Отдел горения и взрыва

Детонационный ракетный двигатель с «пленочной» детонацией

В ИХФ РАН впервые разработан и испытан демонстратор прямоточного воздушно-реактивного двигателя для дозвуковых скоростей полета, основанный на новых физических принципах. Разработана компоновочная схема и модель беспилотного летательного аппарата с таким двигателем и проведены ее бросковые испытания. Впервые в мире продемонстрирован полет беспилотного летательного аппарата с двигателем нового типа с набором высоты и скорости. Двигатель имеет высокие тяговые характеристики и может использоваться в летательных аппаратах широкого назначения.

Первый в мире дозвуковой полет беспилотного летательного аппарата с прямоточным двигателем нового типа.

ИК - горелочное устройство с мягкой матрицей и рекуперативными элементами

Предложены новые конструкции инфракрасного (ИК) горелочного устройства с мягкой плоской и объемной проницаемой матрицей с рекуперативными элементами из жаростойкого материала. Матрицы изготовлялись из подпрессованной тонкой скрученной проволоки или керамического волокна Fiberfrax. Исследованы особенности процесса горения смесей природного газа с воздухом на поверхности таких матриц. Реализован устойчивый режим поверхностного горения на волоконно – керамической матрице с рекуперативными элементами с рекордно высокими значений удельной мощности горения до 2.3 МВт/м2. Температура излучающей поверхности достигала 1700K, что обусловило высокую мощность ИК излучения. Концентрация монооксида углерода в продуктах сгорания не превышала 5 – 10 ppm при концентрации оксидов азота ~ 30 ppm. Работа имеет практическое значение.

Рис. Рекуперативное ИК - горелочное устройство с излучающей поверхностью 25х25 см с мягкой матрицей из подпрессованной проволоки (а), из мягкого керамического волокна в плоском (б) и объемном(в) вариантах.

Отдел проблем химической безопасности

СЕЛЕКТИВНЫЙ ОКСИКРЕКИНГ ПОПУТНЫХ ГАЗОВ В ГАЗОМОТОРНОЕ ТОПЛИВО

Разработана и испытана в масштабе пилотной установки простая некаталитическая технология селективного оксикрекинга тяжелых компонентов попутных газов с получением кондиционного газомоторного топлива. Установлено, что влияние примеси алканов С2-С6 в попутных газах на задержку воспламенения определяется только их суммарной концентрацией и не зависит от компонентного состава примеси (Рис. 1). Это позволяет без детального анализа оценивать детонационные характеристики сложных газовых смесей и считать критерием их детонационной стойкости низкую суммарную концентрацию алканов С2+. Показано, что допустимая примесь алканов С2+ в газовом топливе не превышает 1%.

Определены условия, при которых селективный оксикрекинг тяжелых компонентов попутных газов обеспечивает их конверсию в 95% (Рис. 2), что позволяет превращать попутные газы в газомоторное топливо, удовлетворяющее требованиям ведущих мировых производителей газопоршневых электростанций. Технология предназначена для распределенной локальной энергетики удаленных нефтегазодобывающих и арктических регионов. Она повышает их энергонезависимость и энергобезопасность, сокращает объем северного завоза жидкого топлива и факельное сжигание попутных газов.

Рис. 1. Зависимость задержки самовоспламенения τ сложных метан-алкановых смесей от концентрации в них этана. Т = 900 К, Р = 1 атм, j = 1.

 

Рис. 2. Зависимость конверсии индивидуальных алканов при селективном оксикрекинге попутных нефтяных газов от числа их углеродных атомов Nc.

Отдел строения вещества

СУПЕРКОНДЕНСАЦИЯ НУКЛЕОИДА БАКТЕРИЙ E.Coli ПОД ДЕЙСТВИЕМ СТРЕССА ГОЛОДАНИЯ

(Руководитель - д.ф.-м.н. Ю.Ф.Крупянский)

Одной из молекулярных стратегий, обеспечивающих способность микроорганизмов к выживанию в неблагоприятных условиях является защита нуклеоида от внешних воздействий с помощью связывания с гистоноподобными белками. Методами трансмиссионной электронной микроскопии и дифракции синхротронного излучения изучен структурный ответ на стресс голодания в бактериях E. Coli. В клетках обнаружено, как минимум , два вида структурного адаптивного ответа на стресс : 1) суперконденсация нуклеоида в квази- нанокристаллическую (неидеальную) структуру нуклеоида (рис.1) и 2) суперконденсация нуклеоида в квази - жидкокристаллическую структуру, похожую на холестерическую жидкокристаллическую фазу ДНК (рис.2). Это -результат гетерогенности свойств популяции клеток. Изучение структурного ответа на стресс является попыткой преодоления резистентности патогенных бактерий к действию антибиотиков - важной медицинской проблемы современного мира.

Рис.1. Зависимость интенсивности рассеяния от угла 2Θ для образца голодающих бактерий E. Coli . На врезке - дифракционная картина для этого образца. Широкие пики свидетельствуют о неидеальности (квази - кристалличности) нуклеоида

Рис.2. Квази - жидкокристаллическая структура нуклеоида E. Coli . Упаковка ДНК (в центре клетки) похожа на холестерический жидкий кристалл

Отдел кинетики и катализа

СТРУКТУРА И ПРОТОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Разработаны новые классы материалов для твердооксидных топливных элементов с протон-проводящим электролитом. Наиболее важным направлением альтернативной энергетики являются поиски новых материалов для протон-проводящих твердооксидных топливных элементов, являющихся электрохимическим преобразователем энергии, который конвертирует химическую энергию топлива (H2, CH4) и воздуха в электрическую энергию при T~ 600-800°C. Предложены новые соединения со структурой пирохлора и флюорита состава Ln2-xCaxScMO7-δ (Ln = La, Sm, Ho, Yb; M = Nb, Ta; x = 0, 0.05, 0.1) (Рис. 1). Определен вклад протонной проводимости для твердых растворов со структурой пирохлора Ln2-xCaxScNb(Ta)O7 (Ln = La, Sm; x= 0, 0.05, 0.1). Твердые растворы самария – пирохлоры Sm1.9Ca0.1ScNbO6.95 и Sm1.9Ca0.1ScTaO6.95 проявляют максимальную протонную проводимость, сохраняющуюся в них вплоть до температур 800 и 850 °C. Проводимость флюоритоподобных фаз Ho2-xCaxScNbO7 (x= 0, 0.05) и Yb2ScNbO7 определяется только кислородным транспортом. Для нового семейства молибдатов на основе Ln6MoO12 ((Ln = La – Lu) исследуются структурные классы биксбиита, флюорита, тетрагональные и ромбоэдрические фазы. При нагреве не выше 1100°С в вакууме ромбоэдрический La5.5MoO11.25 более устойчив к восстановлению, чем легированный цирконием флюорит Ho5.4Zr0.6MoO12.3. Установлено, что ромбоэдрические молибдаты на основе La6MoO12 успешно функционируют при 600-800°С (рабочий режим твердооксидных топливных элементов).

| | |
| --- | --- |
| | |

Рис.1. Структура пирохлора (а) и флюорита (б) через кислородные полиэдры LnO8 и MO6.

НЕОДНОРОДНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ В НАНОЧАСТИЦАХ

НЕОДНОРОДНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ В НАНОЧАСТИЦАХ

Разработана и включена в пакет Chemical Workbench 4.1, Kintech Lab Ltd. коммерческая компьютерная программа NANO http://www.kintechlab.com/uploads/media/Nano_en_v2.pdf для нахождения распределений плотности положительных и отрицательных зарядов как внутри, так и на поверхности полупроводниковых и металлических наночастиц. Такая программа необходима при решении задач, связанных с проводящими, сенсорными, фотоэлектрическими, каталитическими, магнитными, диэлектрическими, плазмонными и другими свойствами наноматериалов. Особенно следует отметить важность программы для решения различных задач нанобиофотоники. Эта программа уже использована для расчета электронной плотности внутри полупроводниковой наночастицы и электрического поля снаружи наночастицы в электрическом поле вдоль направления приложенного поля, а также для определения относительной плотности электронов проводимости в наночастице для различных концентраций водорода в атмосфере. Кроме того, проведено сопоставление экспериментальной и расчетной зависимостей чувствительности к водороду газового сенсора (Рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальная (а) и расчетная (б) зависимости чувствительности к водороду от температуры газового сенсора на основе In2O3 для различных концентраций водорода (1 – 1100 ppm; 2 – 2570 ppm; 3 – 260 ppm; 4 – 120 ppm).