В последний месяц лета российские учёные не отдыхали, а занимались разработкой отечественной программы для моделирования новых материалов, повышали урожайность различных культур с помощью биоудобрений, занимались вопросами квантовой связи, а также принимали участие в международном проекте на Большом адронном коллайдере. Об этих и других не менее важных достижениях отечественной науки в августе далее в статье.
💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.
Создали отечественную программу для инженерных расчетов
💡 Простыми словами
Разработчики Пермского Политеха создали программу X Composite, которая представляет собой комплекс инструментов в едином интерфейсе для точного моделирования и оценки свойств композиционных материалов, используемых в машиностроительной и аэрокосмической отраслях. Это существенно снизит затраты на создание и увеличит качество таких деталей, как крылья самолетов или обшивка космических кораблей. Важно понимать, что композитные материалы действительно играют ключевую роль в современной ракетно-космической индустрии из-за своей легкости, прочности, жесткости и других полезных свойств.
👨🔬 Детально
В отличие от известных зарубежных продуктов (ANSYS, Digimat, Fidesys и так далее) программа X Composite обладает всеми необходимыми инструментами для полного спектра работ. Она позволяет более точно оценивать свойства композиционных материалов, учитывая сложные и неравномерные уровни деформации нитей, из которых они состоят, что дает возможность предсказывать поведение материала в различных условиях; определять, как материал будет себя вести при различных воздействиях, таких как растяжение, сжатие или деформация при сдвиге. Однако главным преимуществом является многоуровневое моделирование, что позволяет учитывать изменения геометрических параметров композитов прямо в процессе изготовления, подгоняя значения идеальных расчетов под реальные условия эксплуатации. Всё это позволяет существенно снизить затраты на проведение дорогостоящих физических экспериментов, а также существенно сократить временные и денежные затраты при создании новых композитных материалов.
Разработали компьютерный модуль для автоматизации промышленного оборудования
В Санкт-Петербурге создали импортозамещающий системный модуль (микрокомпьютер), который может использоваться для автоматизированного управления электронными системами на базе международного стандарта SMARC v1.1. Это уже четвертая ревизия разработанного в 2016 году устройства SMARC-AM335x. Системный модуль представляет собой компактное устройство, содержащее основные компоненты ЭВМ, такие как центральный процессор, оперативная память, энергонезависимая память eMMC, интерфейсы для связи с другими устройствами, основные периферийные устройства (HDMI, SATA и так далее). При этом после усовершенствования единственным заграничным модулем остался процессор AM335x американской компании Texas Instruments.
Замена компонентов на отечественные и доступные аналоги позволяет достичь технологического суверенитета в области автоматизации. Ключевыми преимуществами использования системных модулей, соответствующих международному стандарту SMARC v1.1, является возможность массового производства (влияет на себестоимость продукта), легкой замены устаревших модулей модернизированными, адаптации устройств под разнообразные задачи автоматизации. Кроме того, исследователи модифицировали программное обеспечение для модуля на операционной системе Linux, что облегчит работу разработчикам прикладных систем.
Повысили урожайность с помощью биомодифицированных удобрений
💡 Простыми словами
Также в августе санкт-петербургскими учёными были разработаны биологически активные азотные, фосфорные и комплексные минеральные удобрения нового поколения. Они содержат полезные микроорганизмы для улучшения роста растений. Стоит отметить, что Россия занимает третье место в мире по объёму производства удобрений для агропромышленного комплекса и является крупнейшим экспортером данной продукции, поэтому подобные разработки очень важны как для внутреннего использования, так и для укрепления позиций на мировом рынке.
👨🔬 Детально
В ходе исследований было выявлено, что споровые формы бактерий рода Bacillus хорошо сохраняются в сухих субстратах-носителях в течение 12 месяцев, что является важным аспектом для эффективного применения удобрений. Затем учёные провели демонстрационные полевые опыты с новыми биологически активными минеральными удобрениями в Ленинградской области. Увеличение урожайности зарегистрировано у различных культур и составило 15 % для яровой пшеницы и кукурузы, 20 % для картофеля и 30 % для салата. Совместно с предприятием «Воскресенские минеральные удобрения» уже спроектирован цех площадью 700 квадратных метров для производства 30 тысяч тонн в год удобрений нового поколения.
Создали умные полимерные мембраны для очистки воды при помощи энергии света
💡 Простыми словами
Одной из проблем, связанных с химическими производствами и промышленными предприятиями, является загрязнение воды органическими веществами, такими как красители, антибиотики и пестициды. Для борьбы с этой проблемой используют фотокатализаторы — вещества или материалы, которые ускоряют химические реакции под воздействием света. Дагестанские химики разработали инновационные волоконные гибридные полимерные мембраны на основе поливинилиденфторида в качестве основы-носителя для наночастиц фотокатализаторов, которые обладают способностью ускорять химические превращения под воздействием как световой, так и механической энергии.
Их можно легко извлекать из воды и повторно использовать, они прочные, биосовместимые и устойчивы к различным температурам и химическим воздействиям. Кроме того, эти мембраны доказали свою эффективность в реакции разложения метиленового синего (красителя, широко используемого в химических и медицинских целях). Такое исследование имеет потенциал стать основой для разработки новых дешевых, биосовместимых и экологически чистых катализаторов, которые также могут быть использованы для очистки сточных вод от химических загрязнителей.
👨🔬 Детально
В данной работе использовались давно известные полимерные мембраны. Однако, чтобы повысить каталитическую активность, ученые внесли модификации в их структуру. Вместо того чтобы добавлять активные наночастицы фотокатализатора, они синтезировали гибридный фотокатализатор на основе поливинилиденфторида и гидратированной соли нитрата кальция. Этот материал обладает интересной особенностью: в нем образуется плотная сеть водородных связей между волокнами мембраны и молекулами соли. Эта структура делает полимер чувствительным к свету и позволяет формировать свободные носители зарядов, необходимые для проведения окислительно-восстановительных реакций.
Для проверки эффективности материала учёные использовали его для разложения метиленового синего. Реакция проводилась как при видимом свете, так и при использовании ультрафиолетового излучения. Оба источника света активировали фотокатализатор. Результаты показали, что модифицированная полимерная мембрана способствовала разложению красителя с высокой эффективностью: до 89 % разложения под ультрафиолетом и 44 % под видимым светом. В то время как у немодифицированного полимера не было никакой активности.
Приняли участие в международном эксперименте на большом адронном коллайдере
💡 Простыми словами
Специалисты Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ в рамках международной коллаборации, в которой они принимают участие с момента её образования в 2012 году, провели поиск тяжелых заряженных резонансов, которые не предсказаны Стандартной моделью физики элементарных частиц, но должны существовать по некоторым расширенным моделям. Эксперимент проводился с помощью многоцелевого коллайдерного детектора ATLAS, установленного на Большом адронном коллайдере в Швейцарии. И хотя основной цели учёным добиться не удалось (новых бозонов не было найдено), установкой был зафиксирован некоторый избыток событий в районе 375 ГэВ, что может быть интересным исходным пунктом для будущих исследований. Это важное событие, подтверждающее активную роль России в современной международной науке.
👨🔬 Детально
Для поисков использованы данные о протон-протонных столкновениях с энергией 13 ТеВ, полученные с помощью детектора ATLAS на Большом адронном коллайдере. Сигналы новых резонансов искались в распределении по массе системы W и Z бозонов. W бозоны реконструировались в их распадах на заряженный лептон (электрон или мюон) и нейтрино, а Z бозоны — в распадах на 2 заряженных лептона. Несмотря на то, что статистически значимых сигналов не обнаружено, были установлены верхние пределы на сечения рождения новых резонансов для двух тестовых моделей: тяжелого заряженного векторного бозона (W’) и заряженного бозона Хиггса (H5±). Полученные данные могут быть использованы для ограничений на другие модели, предсказывающие новые тяжёлые резонансы, такие как суперсимметрия, техницвет, дополнительные пространственные измерения и так далее.
Рассказали о новых разработках для систем квантовой связи
В рамках десятого международного форума технологического развития «Технопром-2023» были представлены результаты крупного проекта под названием «Квантовые структуры для посткремниевой электроники». Одной из важных разработок является возможность «выстреливания» одиночных фотонов, что представляет собой теоретический предел нанофотоники. Для этого было необходимо создать и изолировать квантовую систему, эффективно накачать ее, собрать излучение и «выбросить» одиночный фотон с возможностью изменения его частоты. Это имеет важное приложение в области квантовой криптографии, квантовых вычислений и миниатюрных атомных стандартов частоты нового поколения. Однако, например, для построения защищенного канала квантовой связи важно не только генерировать одиночные фотоны, но и регистрировать их. Поэтому в рамках проекта были также разработаны детекторы на основе лавинных фотодиодов, работающих в гейгеровском режиме и позволяющих регистрировать одиночные фотоны при комнатной температуре.
Одним из ключевых достижений проекта также является разработка гетероструктур для СВЧ-транзисторов. Гетероструктуры — это слоистые структуры из различных полупроводниковых материалов, обладающие специфическими электронными свойствами. Эти материалы могут быть использованы в производстве микросхем для СВЧ-электроники, что может существенно улучшить характеристики и производительность таких систем. Также в рамках проекта были разработаны мощные широкополосные фотодиоды СВЧ-диапазона. Фотодиоды этого типа могут использоваться для обнаружения высокочастотных электромагнитных сигналов, что важно для различных телекоммуникационных и радиосвязных приложений.
Отдельное достижение проекта — разработка нового спин-детектора для фотоэмиссии с угловым разрешением. Спин-детекторы позволяют изучать спиновую структуру материалов и явлений, что имеет большое значение для понимания и контроля электронных свойств и поведения в различных системах. Устройству уже нашли применение на новом синхротроне «СКИФ». Синхротрон — это устройство для генерации электромагнитных излучений, которое используется для исследования структуры и свойств материалов на молекулярном и атомарном уровне.
