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 2 (промежуточный)

В отчетный период продолжены исследования по актуальной теме, связанной с решением важнейшей проблемы поиска и создания новых альтернативных источников энергии, в частности, таких как водород. Этот газ в настоящее время признан наиболее приемлемым источником как для получения, так и накопления энергии в альтернативной энергетике. Использование солнечного света позволяет инициировать процессы расщепления воды на поверхности ряда фото-активных материалов, таких как кремний, для получения водорода. На предыдущем этапе НИР установлено, что важным условием применения кремния для фотоэлектрокатализа водорода является модифицирование его поверхности тонкой каталитически-активной полупроводниковой пленкой. Определенные перспективы связываются с применением полупроводниковых тонкопленочных катализаторов на основе сульфида молибдена. На предыдущем этапе НИР изучены особенности функционирования фотокатодов, состоящих из p-Si с нанесенной пленкой MoSx. На отчетном этапе НИР в качестве объекта исследований выбраны кремниевые фотокатоды, содержащие p-n-переходы. Цель работы заключалась в изучении 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, содержащий p-n-переход (pn-Si). Для достижения поставленной цели решались задачи по формированию экспериментальных образцов кремниевых фотокатодов, содержащих тонкие слои со-катализатора MoSx, различающие характеристиками локальной атомной упаковки, которые регулировались выбором способов и режимов осаждения. Также исследованы характеристики фотокатодов pn-Si, в которых изменялась глубина залегания p-n-перехода, реализовано допирование и модифицирование поверхности кремния с применением лазерных технологий. Получены новые важные с научной и практической точек зрения сведения о возможности повышения эффективности фотокатодов pn-Si при выделении водорода в кислотном растворе за счет оптимизации структурнофазового состава слоев в гетеропереходах. В результате сравнительного анализа фотокатодов p-Si и pn-Si установлены механизмы транспортных процессов в созданных фотокатодах и их зависимость от электронных свойств каталитических пленок и кремниевых подложек. В процессе работы в качестве способа получения порошков кобальтатов редкоземельных элементов была выбрана термообработка предварительно синтезированных прекурсоров нужного химического состава и подходящей стехиометрии. В качестве исходных соединений были выбраны прекурсоры, синтезированные путем соосаждения растворов нитратов неодима и кобальта. Новизна работы состоит в том, что были отработаны режимы синтеза ряда порошков кобальтатов редкоземельных элементов состава NdCoO3, установлена взаимосвязь кристаллической структуры об разцов с условиями синтеза. Изготовлены лабораторные опытные партии порошков кобальтатов неодима NdCoO3. Показано, что структура и фазовый состав полученных по рошков кобальтатов неодима NdCoO3 существенным образом определяется условиями синтеза прекурсоров (тип процедуры, наличие окислителей). В процессе работы в качестве потока заряженных частиц были выбраны потоки ионов Fe2+ с энергией 5,6 МэВ с различным флюенсом. Изготовлена партия образцов ВТСП лент второго поколения, облучённая ионами Fe2+ с различными флюенсами с последующим отжигом при температуре 180-210°С. Показаны деградация критических сверхпроводящих параметров с увеличением флюенса облучения, а также возрастание критического тока на 30-40% относительно тока облучённой ленты. Сделан вывод о возможности восстановления токонесущих характеристик ВТСП-композитов, подвергнутых воздействию потоков заряженных частиц. Новизна работы состоит в том, что были получены новые данные по влиянию теплового отжига радиационных дефектов, показана возможность восстановления токонесущих характеристик ВТСП-композитов, подвергнутых воздействию потоков заряженных частиц. В процессе работы в качестве способа получения ультракоротких сгустков электронов рассматривается эмиссия электронов с полупроводникового фотокатода под действием пикосекундного лазерного импульса. Новизна работы состоит в том, что создана модель эмиссии электронов с полупроводникового катода, помещенного в сильное электрическое поле, на основе которой составлены программы численного моделирования эмиссии. Первая созданная на основе этой модели программа расчета, учитывающая динамически изменяющийся заряд на полупроводниковой пленке фотокатода, позволила получить результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Однако часть данных в модели были получены эмпирическим путем с использованием экспериментальных кривых эмиссии. Детальный анализ полевых и диффузионных процессов внутри полупроводниковой пленки, нанесенной на металлическую подложку катода, позволил существенно уточнить как саму модель, так и составленную на её основе программу численного моделирования. В процессе работы в качестве основного метода характеризации использовались стандартные СВЧ- метрики качества радиотехнической цепи, с учетом особенностей их применения в задачах СВЧ-оптоэлектроники. Новизна работы состоит в том, что были использованы современные актуальные методы измерения, а также их особенности в различны реализациях аналоговых оптических трактов. Сделан вывод, что при характеризации и построении аналоговых оптических трактов необходимо учитывать не только ключевые метрики важные для конкретной задачи, но и также физические особенности реализации трактов, которые могут быть обнаружены в отдельных экспериментах. Проведён анали доступных литературных источников, посвящённых исследованиям динамики жидких кристаллов, а также собран макет и проведены эксперименты по измерению времени переключения дифракционных откликов, сформированных компьютерно-синтезированными дифракционными структурами, реализованными с помощью исследуемой модели ЖК ПВМС. Для проведения эксперимента были рассчитаны две модели дифракционных внеосевых фокусаторов с различным отклонением фокуса от оптической оси. Эксперименты заключались в поочерёдном выводе на экран синтезированных моделей дифракционных структур и регистрации дифракционного отклика с помощью высокоскоростной цифровой камеры. На первом этапе модели дифракционных структур модулировали фазовый сдвиг по значениям 0 и π, на втором — по значениям π и 2π. В результате установлено, что режим модуляции по значениям π и 2π имеет преимущества как по скорости переключения, так и по дифракционной эффективности. В процессе работы была проведена аналитическая оценка объёма доступных пользователю ключей кодирования, удовлетворяющих требованиям криптографической стойкости разработанной системы, выработаны рекомендации по выбору их оптимальных размера и плотности, проанализированы уязвимости, свойственные асимметричным криптографическим схемам кодирования, и предложен и апробирован метод устранения одной из таких уязвимостей– «Атаки посредника»– путём включения в процесс кодирования этапа аутентификации пользователей, использующего фрагменты фурье-спектров кодированных изображений. Новизна работы заключается в том, что впервые были выработаны рекомендации по подбору оптимальных параметров ключей кодирования для асимметричной оптико-цифровой схемы кодирования информации с пространственно-некогерентным освещением, а также разработан метод устранения уязвимости данной схемы к атакам типа «Атака посредника» на основе использования фурье-спектров.Показано, что оптимальные ключи кодирования могут иметь эффективную длину 104−105 бит, а использование метода аутентификации пользователей криптографической системы на основе расчёта хэш-сумм от фурье-спектров кодированных изображений позволяет устранить уязвимость разработанной системы к криптографическим атакам типа «Атака посредника» («Man in the Middle») В процессе разработки метода будут анализироваться как стандартные методы улучшения качества, так и перспективные элементы методов, основанные на использовании машинного обучения. Подобный метод, в особенности, в случаях осевых голограмм, может обеспечить оперативное и качественное извлечение комплексной объектной информации из цифровых голограмм, с существенным снижением нежелательных порядков дифракции, для последующего воспроизведения и анализа сцены. Новизна работы состоит в том, что разработанный метод будет объединять принци пы машинного обучения и особенности представления восстанавливаемой волны в комплексном виде для улучшения качества изображений. Разработан метод повышения качества реконструкций в цифровой голографии. Показано, что совместное применение принципов машинного обучения к цифровой голографии может успешно использоваться для восстановления изображений и улучшения их качества. Сообщается об исследовании потоков ионов и жесткого рентгеновского излучения, образующихся при пинчевании быстрого (dI/dt ≈ 1012 А/с) сильноточного (до 90 кА) высоковольтного (U = 5 ÷ 21 кВ) разряда в лазерной плазме, инициируемой на аноде при фокусировке излучения с плотностью мощности до 1010 Вт/см2. Факт пинчевания определялся по характерной особенности на осциллограмме тока, которая появлялась в первом полупериоде за максимумом тока, превышающем порог. Величина порога увеличивалась от 36 до 48 кА с ростом энергии лазерного импульса от 50 до 150 мДж. Пинчевание разряда приводило к появлению группы быстрых ионов материала электродов со скоростью V ≥ 3·108 см/с, регистрируемой времяпролетной коллекторной методикой. При этом в спектре рентгеновского излучения, восстановленного по результатам измерений с помощью дозиметрической диагностики с термолюминесцентными детекторами, присутствовали рентгеновские кванты с энергиями около 700 кэВ, что в 30 раз превышало максимальную энергию рентгеновских квантов безпинчевания плазмы. Благодаря оптическому возбуждению коллективных колебаний свободных электронов (плазмонов) в некоторых металлах (Au, Ag, Cu и т. д.) плазмонные наноструктуры способны обеспечивать ряд выдающихся свойств, что делает их привлекательными кандидатами для различных приложений в нанофотонике, наноэлектронике, фотовольтаике, фотокатализе, оптическом биосенсоре и т. д. Некоторые из этих свойств полезны для биомедицинских приложений. В частности, плазмонные наноструктуры могут обеспечивать резонансное поглощение света в определенном спектральном диапазоне с эффективностью, превышающей эффективность органических красителей на порядки величины, что открывает возможности для их использования в качестве эффективных сенсибилизаторов в фототермической терапии (ФТТ) для устранения раковых клеток посредством локального перегрева (гипертермии) и в качестве контрастных агентов в фотоакустической биовизуализации. Кроме того, плазмонные наноструктуры могут проявлять свойства усиления ближнего поля, что позволяет использовать канал поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS) для идентификации и визуализации молекул, сопряженных с их поверхностью Проведена работа по определению наиболее подходящего полимера, который по своим механическим и акустическим характеристикам схож с биологическими тканями. Были синтезированы наночастицы нитрида тита на методом фемтосекундной лазерной абляции в жидкости. Была найдена оптимальная методика внедрения водного коллоидного раствора наночастиц в полимерную матрицу. Были выделены два наиболее распространенных типа пространственных распределений хромофоров, которые имеют клиническую значимость при проведении фотоакустических исследований: сосуд и шайбовидная опухоль. Была построена установка для проведения пространственного картирования тканеэквивалентных фантомов. В результате проведенной работы были охарактеризованы морфологические характеристики синтезированных наночастиц, получены их оптические и фотоакустические спектры. Также было проведено картирование тканеэквивалентных фантомов с объемным распределением наночастиц двух типов: сосуд и опухоль, которое показало высокий потенциал применения НЧ TiN в качестве экзогенных хромофоров при проведении фотоакустической томографии. Установлено, что для водной суспензии загруженных метиленовым синим наночастиц пористого кремния с естественным оксидным покрытием поверхности пор импульсно-периодическое лазерное облучение наносекундными импульсами c длиной волны 532 нм приводит к росту температуры суспензии и лазерно-индуцированному выходу загруженного в них красителя. Как показали эксперименты in vitro на модельных одноклеточных микроорганизмах Paramecium caudatum, такие лазерно-стимулированные тепловые процессы могут приводить к практически полному подавлению жизнеспособности клеток. Полученные результаты могут быть использованы для разработки методов комбинированной терапии с использованием локальной лазерно-индуцированной гипертермии и контролируемой доставки противораковых препаратов. В ходе данной работы проведены исследования по визуализации ортотопических и гетеротопических опухолевых моделей методами прижизненной лучевой визуализации с целью выработки рекомендаций для доклинических исследований для решения задач тераностики онкологических заболеваний. В результате установлено, что наиболее эффективными ме тодиками визуализации ортотопических опухолевых моделей животных является МРТ в режимах Т1, Т2 и Т1 с контрастом и ПЭТ/КТ с 18F-ФДГ. В результате установлено, что наиболее эффективными методиками визуализации гетеротопических опухолевых моделей животных является МРТ в режимах Т2 и IR и ПЭТ/КТ с 18F-ФДГ. Таким образом возможно получить информацию о локализации опухолевого узла относительно анатомических структур, визуализировать его четкие границы, измерить объем опухолевого узла, определить процент метаболически активной ткани опухоли и локализовать этот участок в опухолевом узле. Во время хирургического вмешательства важно знать состояние сшитых тканей для профилактики послеоперационных осложнений. Одним из возможных способов определения состояния тканей является измерение уровня сатурации кислорода. В данной работе поставленная цель была достигнута методом спектроскопии диффузного рассеяния. Оборудование, на котором проводились измерения, включало спектрометр «ЛЕСА-01 БИОСПЕК»,широкополосный источник света, оптоволокно и персональный компьютер со специальным программным обеспечением «Uno Momento». Оценка сатурации проводилась интраоперационно во время операций с наложением анастомозов. При выполнении резекции пищевода сатурация измерялась не только на открытом этапе операции, но и торакоскопически органа является сохранение уровня сатурации после пересечения тканей, в то время как для желудка и кишечника этот показатель значительно снижается после мобилизации сосудов. На основании результатов данной работы установлено, что метод спектроскопии диффузного рассеяния пригоден для оценки состояния тканей путем измерения уровня насыщения кислородом при операциях по наложению анастомозов на различных отделах желудочно-кишечного тракта. В ходе выполнения работ изготовлены 17 функционализированных мембран на основе нитрида бора различной структуры, создана компьютерная модель и рассчитаны оптимальные параметры функционального реактора на основе микрорезонатора, а также разработаны новые оптические метаматериалы на основе тонкостенных металлических нанотрубок, периодических ассиметричных димеров в виде кремниевых дисков, в виде нано-гребней, а также нано-впадин из диэлектрика. Проведено компьютерное моделирование оптических метаматериалов различной морфологии. Новизна работы состоит в оптимизации методик получения мембран на основе нитрида бора с заданными свойствами, а также создании оригинальных компьютерных моделей для определения оптимальных параметров резонаторной ячейки реактора и параметров матматериалов с регулярной поверхностью Малые кластеры самопроизвольно образуются в разреженных ансамблях магнитных наночастиц в водных растворах и биологических средах за счет магнито- дипольного взаимодействия частиц. В работе создан теоретический аппарат и проведены расчеты кривых намагничивания и квазистатических петель гистерезиса ансамблей малых кластеров магнитных наночастиц различной геометрической структуры с учетом сильного магнито- дипольного взаимодействия между частицами кластера. Показано, что форма петель гистерезиса и коэрцитивная сила разреженных ансамблеймалых кластеров существенно отличается от параметров петли гистерезиса ансамбля невзаимодействующих магнитных наночастиц. Степень внедрения: • Разработана лабораторная технология синтеза порошков кобальтатов неодима NdCoO3. Составлена лабораторная пропись по синтезу NdCoO3. Изготовлена и аттестована лабораторная опытная партия порошка кобальтата неодима NdCoO3 с содержанием основной фазы 95,0%. LnCoO3, являющиеся перспективными новыми материалами для получения катализаторов, газовых сенсоров, электродов для твердооксидных топливных элементов и т.д. Заявка на изобретение: «Способ создания фотокатода с гетеропереходом MoSx/WSe2 для получения водорода». Уведомление о приеме и регистрации заявки № 2024137728 от 16.12.2024 г. • Созданная программа используется при проектировании создающихся в настоящее время в МИФИ фотопушек. • В процессе работы зарегистрирована полезная модель: «Многополосный катод для плазменного двигателя». Уведомление о приеме и регистрации заявки № 202413902 от 23.12.2024 г. • Разработан компьютерный метод повышения качества реконструкций в цифровой голографии. Метод успешно апробирован при восстановлении изображений с осевых цифровых голограмм. В процессе работы получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024687930 от 22.11.2024. • Впроцессе работы получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 202468445 от 27.11.2024. • Впроцессе работы зарегистрирована полезная модель: «Импульсный генератор нейтронов». Уведомление о приёме и регистрации заявки № 20244137705 от 16.12.2024 г. • Созданы компьютерные модели, позволившие определить оптимальные параметры резонаторной ячейки функционального реактора, а также, позволяющие разработать дизайн тонкопленочных оптических метаматериаловс регулярной поверхностью, реализующих максимально возможные усиления электромагнитного поля, а также электромагнитного вклада в ГКР на своей поверхности. Созданы образцы различных мембран на основе нитрида бора для применения в составе реактора. • Внастоящем году были проведены работы по оптимизации процедуры получения функционализированных мембран на основе нитрида бора с внедренными фотокатализаторами и хиральными молекулами, что необходимо для получения мембран совместимых с разрабатываемым реактором. Также для создания модели функционального реактора со встроенными сенсорами на основе эффекта гигантского-комбинационного рассеяния необходимо создать компьютерные модели, позволяющие произвести расчет необходимым параметров резонатора и тонкопленочных оптических метаматериалов, реализующих максимально возможные усиления электромагнитного поля, а также электромагнитного вклада в ГКР на своей поверхности, чтобы в последующем произвести изготовление компонентов и сборку функционального реактора со встроенными ГКР-сенсорами.