На заседании Президиума СО РАН доктора наук, которые примут участие в следующих выборах в члены Российской академии наук, продолжили представлять свои исследования.
Директор Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН доктор химических наук Андрей Александрович Онищук рассказал о физической химии аэрозолей. Ученый выделил три основных аспекта работы с аэрозолями: понимание механизма их образования, выработка методов измерения параметров, а также исследование физико-химических свойств аэрозолей и их практического применения.
«Существует два основных механизма получения аэрозолей, включая наноаэрозоли: химические превращения (пиролиз, горение) и нуклеация из пресыщенного пара. В нашем институте долгое время занимались термическим разложением гидридов кремния (силанов) — это сложный и интересный эксперимент. В ходе термического разложения силанов образующиеся аэрозольные частицы обладают высокой реакционной способностью и участвуют в промежуточных реакциях. Мы исследовали эти реакции и обнаружили новый эффект, который ранее не был известен, — эффект дальнодействующих электростатических взаимодействий между электронейтральными аэрозольными частицами. Мы изучили и поняли природу этого механизма. Оказалось, что частицы выступают аморфным полупроводником, и, когда они сталкиваются, образуются диполи. Именно эти диполи ответственны за дальнодействующее взаимодействие. Для измерения параметров аэрозолей по итогам многолетней работы мы получили простое устойчивое аналитическое решение и создали аэрозольный спектрометр на базе диффузионной батареи, а также ряд других измерительный приборов», — рассказал А. А. Онищук.
Говоря о практическом применении аэрозолей, ученый отметил несколько сфер, где они могут быть полезны. Одним из возможных вариантов использования А. Онищук назвал решение проблемы взрывоопасности в угольных шахтах, связанной с эмиссией метана. Сотрудники ИХКГ СО РАН единственные в мире смогли обеспечить работу аэрозольно-измерительного оборудования в шахте и обнаружить факторы предупреждения взрывов. Помимо этого, новосибирские ученые разработали методику измерения нелетучих твердых частиц в эмиссии авиационных двигателей.
«Аэрозоли сегодня находят применение в различных сферах. Также важно отметить их использование в медицине, появление лекарственных наноаэрозолей — новой формы лекарственных средств. Благодаря измерительным методикам мы определили эффективность воздействия препарата в зависимости от размера дозы на лабораторных животных. Наше оборудование в реальном времени позволяет вычислить ингаляционную дозу. Исследования показывают, что аэрозольное введение на несколько порядков качественнее, чем пероральное. Рассматривали противовоспалительные, анальгетические, а также противотуберкулезные средства. Доступность препаратов оказалась на уровне внутривенного введения, так как вещество практически сразу попадает в кровоток», — отметил ученый.
Заведующая лабораторией ИИ-технологий математического моделирования биологических, социально-экономических и экологических процессов Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН доктор физико-математических наук Ольга Игоревна Криворотько рассказала о математических моделях, описывающих сценарии распространения эпидемий на примере пандемии COVID-19. «Когда началась эпидемия коронавирусной инфекции, стало понятно — на ее распространение влияют не только ограничительные меры, но также социальные процессы (такие как вакцинация или отказ от нее) и экологические факторы: в разных регионах заболевание распространялось по-разному, — отметила Ольга Криворотько. — Поэтому всю информацию надо было учитывать в математических моделях. К этому мы пришли благодаря большому количеству накопленных данных. Первая модель, которую мы опубликовали, явилась адаптацией сложной дифференциальной модели французских исследователей, описывающей замкнутую систему взаимодействия среди населения. Был выведен, что важно для эпидемиологов, базовый индекс репродукции вируса, показывающий, сколько может один больной заразить здоровых людей».
Плюсы созданной новосибирскими математиками модели — в простоте реализации: в основе лежит закон сохранения масс с установленными взаимосвязями с различными состояниями системы. С ее помощью можно описывать большие популяции (регионы, страны), а также применять для моделирования распространения другой инфекции — достаточно уточнить параметры. К недостаткам, по словам исследовательницы, относится то, что модель описывает только один пик, а изменение параметров (мутации вируса, ограничительные меры, вакцинация) приводит к необходимости заново решать обратную задачу и рассчитывать сценарии с новыми параметрами.
«Мы проводили моделирование динамики COVID-19 в Новосибирской области в течение года, с 15 апреля 2020-го по 17 апреля 2021-го, — рассказала Ольга Криворотько. — Мы тесно взаимодействовали с мэрией Новосибирска и правительством НСО, которые предоставляли данные, необходимые для того, чтобы модель можно было усложнять».
В частности, ученые проанализировали сценарии развития эпидемии COVID-19 в Новосибирской области в августе 2022 года — после отмены масочного режима. «Количество ожидаемых выявленных случаев COVID-19, полученное при моделировании сценария повышенной мобильности граждан в общественных местах в этом месяце (перед учебным годом), совпало с реальными данными, — подчеркнула Ольга Криворотько. — Комбинированная модель выявила, что наиболее действенной мерой по сдерживанию распространения COVID-19 является ограничение скопления граждан в общественных местах, а также своевременное введение изоляционных мер: маски, закрытие учебных заведений, вакцинация, информирование средствами массовой информации».
Доклад старшего научного сотрудника Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН профессора РАН, доктора физико-математических наук Олега Евгеньевича Терещенко был посвящен развитию вакуумной спинтроники. Он рассказал о создании новых инструментов и методов исследования спин-зависимых явлений, устройств и приборов вакуумной спинтроники и о приложении результатов этих исследований в установках мегасайнс.
Так, сотрудники ИФП СО РАН разработали универсальный химический метод приготовления структурно упорядоченных поверхностей полупроводников, высокоэффективный источник спин-поляризованных электронов, новые спин-детекторы с пространственным разрешением.
В частности, ученые института делают высокоэффективные УФ-фотокатоды для космических детекторов на основе вакуумных электронно-оптических преобразователей. Они будут использованы в телескопе «Спектр-УФ» (Роскосмос), запуск которого запланирован в 2029 году. Благодаря этому телескопу российская наука получит монопольный доступ к наблюдениям высокого пространственного разрешения в УФ-диапазоне. По многим параметрам «Спектр-УФ» превзойдет космический телескоп «Хаббл».
«У нас есть заказ на создание детекторов в ультрафиолетовом диапазоне 100—200 нм и 150—320 нм для спутника “Спектр-УФ”. Мы планируем сделать его “глаза’’. На базе электронно-оптического преобразователя разрабатывается фотокатод на основе цезий — йод. Уже есть первые приборы, на которых можно получать изображение», — сказал Олег Терещенко.
Также исследователи ИФП СО РАН занимаются созданием станции «Электронная структура» на ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов», где будут исследоваться зонный спектр и спиновая структура твердых тел для приложений наноэлектроники и спинтроники, а также фотоэлектронная дифракция. Стоит задача построить современную фотоэмиссионную станцию с угловым и спиновым разрешением с предельными параметрами (разрешением 1 МэВ, поляризацией, температурой меньше 4 К и размером пучка меньше 1 мкм).
Кроме того, в планах ученых — эксперимент по спин-зависимому рассеянию электронов на хиральных молекулах, изучение углового момента электронов и квантовой запутанности на поляризованных электронах (неравенства Белла).
«Мы решили попытаться ответить на вопрос, откуда взялась природа хиральной асимметрии молекулы. Идея этого эксперимента заключается в том, что мы с помощью медленных спин-поляризованных электронов будем бомбить молекулы. Захват электрона сильно зависит от хиральности молекулы, должна от нее зависеть и его поляризация. Таким образом, мы хотим доказать, что спин-поляризованные электроны действительно были тем источником, который сделал эту асимметрию в самом начале», — прокомментировал первое направление Олег Терещенко.
Директор Института лазерной физики СО РАН доктор физико-математических наук Олег Николаевич Прудников сообщил о новых достижениях в области прецизионной квантовой метрологии: «Есть интерес к использованию законов квантового мира для создания нового поколения приборов, квантовых сенсоров, которые могли бы измерять физические величины, в том числе классические, с более высокой точностью. Это направление квантовых сенсоров сейчас бурно развивается, разрабатывается дорожная карта при поддержке госкорпорации “Росатом”».
В ИЛФ СО РАН основные работы в области квантовой метрологии ведутся со стандартами частоты (эталонами времени). Они представляют собой высокостабильный генератор, который вследствие внешнего воздействия и при течении времени может отклоняться. Поэтому для синхронизации частоты используют квантовые реперы, которыми часто выступают атомы. Стандарты частоты бывают микроволнового и оптического диапазона. Для обоих случаев ошибка измерения пропорциональна ширине измеряемого резонанса. Прежде всего, это определяет то, что оптические стандарты частоты потенциально имеют более высокую точность.
«Актуальность применения стандартов частоты достаточно широкая. Выделяется множество прикладных задач. Основная — это задача навигации, в том числе и в дальнем космосе, с использованием GPS-сигнала и без него. Современные стандарты частоты позволяют проводить измерения с точностью 10-18. Это открывает широкий аспект фундаментальных приложений: проверка констант и различных теорий», — прокомментировал Олег Прудников.
Исследователи из ИЛФ нашли точное стационарное решение квантового кинетического уравнения для задачи лазерного охлаждения атомов, полностью учитывая квантовые эффекты отдачи при взаимодействии с фотонами поля. Была точно решена и задача взаимодействия атомов с периодически модулированным полем, выходящая за рамки резонансного приближения, что особенно важно для прецизионной спектроскопии.
Интерферометры, использующие такие световые импульсы, применяются при построении высокочувствительных квантовых сенсоров и необходимы для подавления сдвигов, вызванных неконтролируемыми флуктуациями рабочих полей.
Следующая решенная проблема касалась подавления сдвигов от тепловых фотонов — одной из основных причин потери точности. Для этого были предложены новые методы сверхглубокого лазерного охлаждения ионов в радиочастотной ловушке, исключающие использование магнитного поля. Достигаемый уровень температуры в ловушке позволяет практически полностью избежать ошибок в стандартах частоты.
Ученые предложили и исследовали концепцию ячейки холодных атомов — альтернативу стандартным магнитооптическим ловушкам для лазерного охлаждения нейтральных атомов. Ее можно применить при создании компактных квантовых сенсоров и стандартов частоты.
«Наука в Сибири»
