Стали известны имена победителей конкурса грантов Президента Российской Федерации. В этом году среди победителей – четверо ученых Университета ИТМО, которые получили средства на проведение исследований. ITMO.NEWS пообщался с учеными и узнал, какие проекты будут реализованы на полученные гранты в ближайшие годы.

Сергей Макаров, доктор физико-математических наук, проект «Перовскитные солнечные элементы, улучшенные за счет резонансных наночастиц»

Проект посвящен перовскитным солнечным элементам, улучшенным за счёт резонансных наночастиц. Фактически мы хотим повысить эффективность солнечных батарей из перовскита. Сейчас это активно развивающееся направление и в России, и за рубежом. Перовскиты, которыми мы занимаемся, – это новые материалы, которые не встречаются в природе, их синтезируют. На их основе можно создавать эффективные солнечные батареи довольно дешево, и есть надежда, что эти материалы позволят сделать прорыв в области солнечной энергетики и снизить стоимость альтернативной энергии.

Для этой цели решается несколько задач, основные из них – повышение эффективности солнечных батарей, их стабильность и снижение стоимости.  В проекте мы работаем со всеми тремя направлениями. Во-первых, мы используем подходы, которые не удорожают технологию: применяем недорогие наночастицы из кремния, и сама технология добавления этих наночастиц в солнечную батарею тоже не требует больших денег. Во-вторых, наша основная цель – повысить эффективность солнечных батарей из перовскитов. Добавляя наночастицы, мы надеемся, что увеличим поглощение света, которое будет преобразовываться в электричество. Мы планируем увеличивать не только поглощение, но и другие электрофизические свойства солнечных батарей, тем самым повышая их общую эффективность. Также мы надеемся, что сам материал и его характеристики будут улучшаться за счет добавления наночатиц, а его долговечность – расти. 

На реализацию проекта заложены два-три года. Сейчас мы занимаемся разработкой модели. Любое исследование начинается с моделирования. Чтобы понять, что мы хотим получить, из какого материала должны быть частицы, в какую часть солнечного элемента должны быть добавлены частицы и в какой концентрации – для этих и других параметров мы разрабатываем модель. Это небольшие элементы, которые мы можем тестировать каждый день.

Дмитрий Зуев, кандидат физико-математических наук, проект «Новые принципы создания защитных меток на основе оптических метаповерхностей»

В ходе выполнения этого проекта будет проводиться разработка защитных меток на основе оптически резонансных метаповерхностей – массива наночастиц, расположенных определенным образом. Оптические свойства такой метаповерхности, то есть то, что мы воспринимаем визуально, зависят от ряда параметров – например, расстояния между отдельными частицами, размера каждой частицы и ее формы, и могут быть настроены по определенному алгоритму. Зная алгоритм активации (записи), с помощью оптических методов можно создать такую защитную метку, повторить которую в кустарных условиях будет практически невозможно. При этом идентификация, то есть считывание метки, производится также высокоточными оптическими методами. Так как считываемый сигнал будет иметь специфический характер, степень защиты таких знаков очень высока.

Метки необходимы для защиты широкого круга изделий: бланков ценных бумаг и документов, высокотехнологичной промышленной продукции и других товаров. При этом ведется постоянная работа в области разработки новых методов идентификации материальных объектов, так как задержка во времени между внедрением новой технологией создания защитных меток и их несанкционированным копированием сокращается.

Практическая значимость проекта заключается в том, что разрабатываемая технология может найти применение для маркировки высокотехнологичных, ценных, а также уникальных изделий. Действительно, отдельные виды материальных объектов требуют повышенной защиты и даже создания многоуровневых систем защиты из комбинации меток различных типов и степени сложности. В свою очередь, разрабатываемые в ходе проекта системы позволят объединить высокую степень защищенности протоколов активации и идентификации с нестандартным подходом к их изготовлению.

К настоящему времени накоплен большой опыт в области создания оптически резонансных наночастиц и управления их оптическими свойствами. Полученные результаты в этой области были опубликованы в ведущих научных журналах. Этот проект – логическое продолжение наших работ, перевод фундаментальных исследований в область реального применения таких нанообъектов и метаповерхностей. В будущем планируется развивать прикладную составляющую наших исследований, разрабатывая на основе таких наносистем сенсоры нового поколения, защитные метки и другие объекты.

В дальнейшем проект планируется развивать в область приборного применения, а именно – создания технологии, которую можно коммерциализировать. При этом грант Президента РФ является важной вехой на этом пути, так как его получение подтверждает потенциал проводимых исследований, их общественную значимость и означает признание наших разработок на самом высоком уровне.

Станислав Глыбовский, кандидат физико-математиеских наук, проект «Повышение разрешения магнитно-резонансной микроскопии при помощи керамических резонаторов»

Сегодня магнитно-резонансная микроскопия становится одним из наиболее мощных инструментов биомедицинских исследований, она обеспечивает уникальные возможности визуализации структурных элементов и изучения функционального поведения живых объектов. На практике разрешающая способность ограничивается достижимым соотношением сигнал-шум, которое в значительной степени определяется характеристиками радиочастотных катушек (зондов), принимающих сигналы ядерного магнитного резонанса от исследуемого образца.

На данный момент конструкции применяемых металлических зондов достигли предела по обеспечиваемому соотношению сигнал-шум, что связано с диссипативными потерями в металле и в исследуемом образце. Проект направлен на преодоление этого предела с использованием вместо металлических зондов объемных резонаторов из специализированной керамики с низкими потерями. Использование предложенных диэлектрических зондов откроет новые возможности для биомедицинских исследований, обеспечивая более высокое разрешение микроскопии, достижимое за ограниченное время жизни исследуемого биологического образца.

Уже проведены предварительные численные расчеты, показывающие выигрыш не менее 50% в соотношении сигнал-шум при использовании керамических резонаторов вместо уже используемых металлических зондов для микроскопии небольших (до 10 мм) образцов в МР томографе с уровнем поля 17 Тесла. Также совместно с ООО «Керамика» изготовлен экспериментальный образец резонатора из специализированного керамического сегнетоэлектрического материала. В дальнейшем планируется провести тестирование разработанного зонда непосредственно на томографе, в том числе на биологических структурированных объектах, чтобы продемонстрировать повышение разрешающей способности. Планируется также рассмотреть и экспериментально реализовать несколько различных конструкций диэлектрических зондов для образцов разных размеров для использования в томографах 7-17 Тесла.  

Привлекательным направлением развития проекта была бы разработка методов изготовления керамических резонаторов с целью дальнейшего снижения их диссипативных потерь при повышении относительной диэлектрической проницаемости. Грант Президента РФ поможет на данной стадии привлечь к проекту высококвалифицированных молодых исследователей-аспирантов, чей опыт ускорит разработку новых конструкций диэлектрических зондов с улучшенными характеристиками.

Дарья Софина