ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ по теме «Многомасштабные процессы взаимодействия лазерного излучения, плазмы и радиационных потоков с конденсированными средами и биологическими структурами как основа инновационных технологий» Этап 1 (промежуточный) Код (шифр) научной темы, присвоенный учредителем (организацией): FSWU-2023-0070

Ключевые слова: никелаты редкоземельных элементов (РЗЭ), кристаллическая и локальная структура, синхронный термический анализ, рентгеновская дифракция, ИК-спектроскопия; импульсное лазерное осаждение, гетероструктуры, полупроводниковые материалы, теория функционала плотности, расщепление воды, фотоэлектрохимические процессы, получение водорода; сверхпроводимость, высокотемпературные сверхпроводники, ВТСП-ленты, критический ток, критическая температура, радиационное воздействие, облучение ионами; сильноточные электронные пучки, ультракороткие сгустки, ускорение в плазме, источники синхротронного излучения, накопительные кольца, фотоэмиссия, фотокатод; ОПЭ, плазменное облучение, вольфрамовые покрытия, коррозионная стойкость, убегающие электроны, конверсия энергии, потоки высокоэнергетичных частиц; лазерное испарение, теплопроводность, лазерная абляция, поглощение лазерного излучения, компьютерное моделирование; лазерная закалка, теплопроводность, компьютерное моделирование, обратная задача теплопроводности, сканатор; компьютерно-синтезированные голограммы, модель дифракционной структуры, интегральные оптические преобразования, пространственно-временной модулятор света (ПВМС), голография; радиофотоника, микроволновая фотоника, оптический тракт, модулятор Маха-Цандера, динамический диапазон, оптическая линеаризация, двутоновое тестирование, оптический спектрометр, поляризационная экстинкция; цифровые голограммы, частотная фильтрация, предметная фильтрация, машинное обучение, реконструкция сцены; оптическое кодирование, безлинзовая схема, киноформы, дифракция света, пространственно-некогерентное освещение; разрядные импульсы, релятивистское лазерно-плазменное взаимодействие, ТГц излучение; нанокомпозиты, золото, висмут, кремний, мксены, лазерная фрагментация, биомедицина, онкологические заболевания, фототермическая терапия, фотоакустическая визуализация, радиационная тераностика, лучевая терапия, опухоли головного мозга, глиома, наночастицы золота, томография, МРТ, ПЭТ, КТ, тканевые сфероиды, plal наночастицы лазерное облучение наночастиц для нагрева, сакросфероиды, биопечать, наноконтейнеры, пористый кремний, термочувствительный полимер, доставка лекарств, тераностика, наноматериалы, хиральность, катализ, сильная связь, химические реакции, биологически-активные вещества, оптическая спектроскопия, диффузное рассеивание, сатурация гемоглобина кислородом, желудочно-кишечный тракт, анастомоз, численное моделирование, метод Монте-Карло, фотоакустика, биомедицинские применения, оптические фантомы, оптическая гипертермия, лазеры, ансамбли магнитных наночастиц, намагниченность насыщения, переменное магнитное поле, низкочастотные петли гистерезиса, удельная мощность поглощения, наночастицы магнетита, магнетосомы, ферромагнитный резонанс (ФМР), магнито-дипольное взаимодействие (МД), тепловые флуктуации магнитных моментов, магнитная гипертермия, численное моделирование. Объектом исследования являются никелаты редкоземельных элементов - перспективные новые материалы для получения термисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в широком температурном диапазоне, металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов, катодных материалов для твердооксидных топливных элементов, катализаторов, сверхпроводников и т.д.; кремниевые фотокатоды p- типа проводимости, обладающие оптимальной конфигурацией электронных энергетических зон в приповерхностной области; высокотемпературные сверхпроводящие композитные ленты второго поколения – перспективные материалы для разработки источников высоких магнитных полей, в том числе в ускорителях и токамаках, где сверхпроводники могут подвергаться длительному воздействию радиационного излучения; ультракороткие сгустки электронов, получение которых является необходимым этапом создания современных установок для ускорения в плазме, источников синхротронного излучения, лазеров на свободных электронах и т.д.; обращенные к плазме элементы (ОПЭ) термоядерных установок, подверженные экстремальным потокам тепла и частиц из плазмы, а также сами высокоэнергетичные частицы (убегающие электроны); образцы полупроводниковых и керамических материалов; образцы из стали марки 09Г2С; компьютерно-синтезированные голограммы, модель дифракционной структуры, интегральные оптические преобразования, пространственно-временной модулятор света, голография; методы компьютерной голографии, позволяющие формировать световые пучки с заданной функцией распределения комплексной амплитуды в пространстве; оптоэлектронные интерферометрические СВЧ-модулятора Маха-Цендера; изображения объектов, восстановленные с регистрируемых цифровых голограмм, которые пересечены шумовыми составляющими – неинформативными порядками дифракции; безлинзовая архитектура системы оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением – перспективная оптоэлектронная криптографическая система, способная осуществлять кодирование визуальной информации в режиме реального времени с более низким энергопотреблением нежели традиционные электронные схемы; процесс взаимодействия мощного релятивистского лазерного импульса с проводящими протяжёнными мишенями; коллоидные растворы наночастиц (НЧ) на основе широкого круга материалов, синтезируемые методами импульсной лазерной абляции в жидкости (ИЛАЖ) и лазерной фрагментации; методы фотоакустической визуализации биологических тканей, содержащих коллоиды наночастиц (НЧ) на основе широкого круга материалов с целью создание численной модели поглощения света в биологических тканях, содержащих различные пространственные распределения НЧ, и распределения тепловых полей в результате полгощения света; наночастицы пористого кремния для использования в качестве наноконтейнеров при доставке лекарств; хиральные 2D-наноматериалы с иммобилизированными в них фотокатализаторами на основе комплексов рутения; тканевые сфероиды, наполненные наночастицами, представляющие собой перспективные материалы для биопечати и контролируемой элиминации; спектры диффузного рассеяния широкополосного излучения в видимом диапазоне, регистрируемые in vivo от стенок органов желудочно-кишечного тракта. Цели: изучение влияния условий синтеза на кристаллическую и локальную структуру порошков никелатов редкоземельных элементов состава RENiO3 и RE2NiO4; изучение влияния тонких пленок со-катализаторов на основе сульфида молибдена на эффективность выделения водорода под воздействием солнечного света и изучении механизмов фото-активированных процессов генерации и переноса неравновесных носителей заряда в кремниевых фотокатодах с со-катализаторами; исследование сравнительного влияния облучения ионами Cu и Fe на критические характеристики высокотемпературных (ВТСП) ленточных композитов; создание модели фотоэмиссии с полупроводникового катода, находящегося в сильном электрическом поле, позволяющей адекватно описывать процесс получения ультракоротких электронных сгустков; исследование новых подходов к разработке ОПЭ, а также возможных механизмов появления локализованных потоков, способных приводить к их повреждению; разработка методики формирования контролируемых температурных полей в процессе обработки металлических материалов с использованием лазерного излучения, формируемым статическими и динамическими оптическими системами; разработка метода воссоздания оптического пинцета с помощью лазерного излучения, сфокусированного в кольцевую структуру; теоретическое и экспериментальное моделирование новых подходов к харатеризации типовых средств электрической модуляции оптического излучения; разработка численного метода фильтрации восстановленных изображений с цифровых голограмм; разработка и экспериментальная реализация безлинзовой архитектуры оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением; качественный анализ процессов взаимодействия лазерного излучения большой интенсивности с протяжёнными открытыми проводящими мишенями и генерации терагерцового излучения, моделирование процесса формирования излучения, определение эффективности преобразования лазерного излучения в ТГц излучение, определение параметров ТГц излучения в зависимости от параметров мишени; отработка и оптимизация технологии лазерного синтеза функциональных НЧ на основе двумерных материалов (МКсенов) и нанокомпозитов (НК) с заданными свойствами, перспективных для применения в сенсибилизации терапии и диагностики онкологических заболеваний, а также проведение комплексной характеризации ключевых физико-химических параметров полученных наноматериалов широким спектром современных комплиментарных аналитических методов; разработка прототипа системы фотоакустической (ФА) визуализации НЧ в биологических тканях; разработка новых методов получения и использования нанокапсулированных форм противораковых препаратов; увеличение каталитической эффективности и энантиоселективности синтеза путем обеспечения большой площади поверхности и создания высокоспецифичных каталитических хиральных мод; создание методики формирования полых 3D конструкций из тканевых сфероидов с помощью лазерного облучения PLAL наночастиц; разработка исследование метода оптико-спектрального контроля насыщения гемоглобина кислородом в различных органах желудочно-кишечного тракта; теоретическое изучение ФМР спектров линейных цепочек наночастиц магнетита, расчет квазистатических петель гистерезиса ансамблей линейных цепочек магнетосом, расчет энергии магнито-дипльного взаимодействия однодоменных сфероидальных наночастиц. Изготовлены лабораторные опытные партии порошков никелатов редкоземельных элементов. Показано, что структура и фазовый состав полученных порошков никелатов РЗЭ определяется как условиями синтеза (атомным отношением RE : Ni = 1 : 1 или 2 : 1, типом РЗЭ, наличием окислителей), так и условиями термообработки (температура и время отжига). Получены новые важные с научной и практической точек зрения сведения о возможности повышения эффективности кремниевых фотокатодов при выделении водорода в кислотном растворе за счет оптимизации структурно-фазового состава слоев в гетеропереходах. Выявлены наиболее перспективные MoSx-содержащие со-катализаторы и методы их осаждения при формировании эффективных фотокатодов на p-Si для получения водорода в кислотном электролите. Изготовлена партия образцов ВТСП лент второго поколения, облучённая ионами Cu2+ и Fe2+ с различными флюенсами. Показаны различия в деградации критических сверхпроводящих параметров с увеличением флюенса облучения. Сделан вывод, что при облучении ионами Cu2+ деградация критичиеского тока происходит при меньших флюенсах, чем для ионов Fe2+. Показано, что при получении коротких (пикосекундной длительности) сгустков, необходим детальный анализ полевых и диффузионных процессов внутри полупроводниковой пленки, нанесенной на металлическую подложку катода. Сделан вывод, что динамически изменяющийся заряд на полупроводниковой пленке фотокатода оказывает существенное влияние на динамику вылетающих электронов, изменяя ток эмиссии. Определены аналитические выражения для энергии, передаваемой УЭ, и доли конвертируемой энергии, которые позволяют оценить указанные величины для произвольных геометрических параметров токамака и параметров плазменного разряда. С использованием приведенных соотношений для полной кинетической энергии УЭ (в том числе в предельных случаях идеальной стенки токамака и стенки с бесконечным сопротивлением) можно определить методы по подавлению обозначенной в работе конверсии с целью снижения вредного воздействия выноса УЭ на стенку камеры. Исследованы зависимости глубины испарения и качества поверхности монокристаллических кремниевых пластин от различных параметров лазерного излучения и стратегиях обработки, а также зависимости глубины испарения и качества поверхности керамики на основе нитрида алюминия от скорости и стратегии обработки. Разработан и реализован алгоритм расчета параметров осциллирующего луча путем решения обратной задачи теплопроводности для получения равномерного температурного распределения в приповерхностном слое изделия произвольной геометрической формы при лазерной закалке. Создана и апробирована на практике база алгоритмических средств компьютерного синтеза дифракционных и голограммных оптических элементов, позволяющих реализацию требуемого комплексного импульсного отклика оптических систем с помощью современных пространственно-временных модуляторов света различного типа: амплитудных, фазовых и бинарных. Получено, что использование двухстороннего измерения электрического и оптического спектров в связки с контролем поляризации позволяет всесторонне изучить как собственные динамические свойства модуляторов Маха-Цендера, так системные имеющие места при работе с отдельными устройствами, что создает задел для систематизации методик измерения модуляторов Маха-Цендера Разработаны методы фильтрации восстановленных изображений с цифровых голограмм. Показано, что совместное применение фильтрации нежелательных порядков дифракции в частотной и предметной плоскостях, а также принципов машинного обучения может успешно использоваться для улучшения качества восстановленных изображений микро- и макрообъектов. Разработана безлинзовая архитектура кодирования в некогерентном освещении, позволяющая сократить число оптических элементов (и тем самым уменьшить влияние аберраций), а также ослабить негативное влияние нулевого порядка дифракции, содержащего незакодированное изображение. Показано, что безлинзовая архитектура не только упрощает аппаратную реализацию оптико-цифровой криптографической схемы, но и в среднем на 10% повышает качество декодированных изображений. Показано, что интенсивность разрядного импульса тока непосредственно связана с интенсивностью лазерного облучения и примерно пропорциональна ей; длительность разрядного импульса тока определяется длительностью лазерного импульса и характеристиками поверхности мишени. Продемонстрирована возможность управления параметрами ТГц излучения с помощью параметров мишени. Сделан вывод, что рассмотренный механизм генерации ТГц излучения является перспективным методом в контексте генерации ТГц излучения высокой интенсивности Проведена комплексная физико-химическая характеризация свойств полученных наноматериалов. Основные конструктивные показатели: мода размерного распределения НЧ и НК менее 100 нм, полуширина распределения менее 50 нм, морфология сферическая, повышенное поглощение в области относительной прозрачности биологических тканей (650–950 нм). Проведена разработка численной модели поглощения света временной эволюции тепловых полей, возникающих после этого. Результаты моделирования проверены в серии экспериментов, после чего осуществлена оптимизация параметров модели. Проведены работы по созданию прототипа системы ФА визуализации. Созданный прототип использован для визуализации различных пространственных распределений НЧ в оптических фантомах. Описан метод формирования наночастиц пористого кремния посредством электрохимического травления пластин кристаллического кремния в растворах плавиковой кислоты с последующим механическим измельчением в шаровой планетарной мельнице. Разработана методика получения наноконтейнеров на основе пористых наночастиц кремния с покрытием из термочувствительного биополимера. Полученные образцы исследованы с помощью методов электронной микроскопии, динамического рассеяния света и спектроскопии инфракрасного поглощения. Разработаны функционализированные двумерные хиральные наноматериалы и пористые матрицы на основе нитрида бора, методика подготовки новых функционализированных двумерных наноматериалов, а также изготовлены образцы функционализированных двумерных наноматериалов на основе нитрида бора. Разработан принципиально новый подход в тканевой инженерии конструкций сложной геометрии, так называемой тканевой инженерии путем удаления. Сущность предлагаемого подхода заключается в том, что сначала печатается или формируется цельный тканеинженерный конструкт, в котором затем, с помощью удаления части материала, формируются полости. Предложен подход к интраоперационной регистрации спектров диффузного рассеяния и алгоритм интерпретации получаемых данных. Была проведена его апробация в клинических условиях. Разработан алгоритм численного планирования, регистрации и анализа спектров диффузного рассеяния стенок органов желудочно-кишечного тракта in vivo, позволяющий по уровню сатурации гемоглобина кислородом оценить риск несостоятельности анастомоза. Создан теоретический аппарат для расчета ФМР спектров ансамблей магнитных наночастиц различной геометрической структуры, с учетом тепловых флуктуаций магнитных моментов наночастиц, и МД взаимодействия наночастиц ансамбля. Проведен расчет ФМР спектра ансамбля линейных цепочек наночастиц магнетита, и показана его существенная зависимость от интенсивности МД взаимодействия в цепочке. Рассчитаны квазистатические петли гистерезиса одиночных и двойных цепочек магнетосом. Получена поправка второго порядка теории возмущений к энергии МД взаимодействия однодоменных сфероидов. Полученные формулы позволяют исследовать эффекты МД взаимодействия в ориентированных кластерах и линейных цепочках сфероидальных магнитных наночастиц.