- Дата начала : 12 октября 2021 г.
- Дата окончания : 31 декабря 2023 г.
- Руководитель : Романов Алексей Евгеньевич
Рентгеновские лазерные технологии в нано- и биоматериаловедении
Кратко о проекте
Проект направлен на проведение синхротронных и нейтронных исследований, необходимых для решения принципиально новых фундаментальных и крупных прикладных задач с использованием оборудования установок класса «Мегасайенс». В рамках проекта проводится создание новой и дооснащение имеющейся научно-исследовательской инфраструктуры на базе Университета ИТМО, а также реализуются мероприятия по научно-просветительской работе, направленной на подготовку профильных специалистов и научных кадров для проведения синхротронных исследований.
Научная работа по исследовательской программе проводится на базе Университета ИТМО, ФТИ им. А.Ф. Иоффе и НИИ гриппа им. А.А. Смородинцева.
Результаты проекта в 2023 году
Творческий коллектив:
118 человек, включая 22 доктора наук, 64 кандидата наук и 23 аспиранта.
Наука
- Исследована возможность использования рассеяния электронов экранированным кулоновским потенциалом в качестве инструмента для изучения свойств релятивистских закрученных пучков электронов;
- Разработана методика получения супрамолекулярных матриц с ассиметричной ориентацией функциональных групп на поверхности кристаллов для создания программируемых микросвиммеров;
Кристаллы барбитурата меламина - (а) в режиме светлого поля, (b) в поляризованном свете, © СЭМ-изображение, (г) 3D-модель монокристалла Б-М
- Разработана технология получения микро- и нанокристаллов смешанно-галогенидных перовскитов CsPbBr3-XClX и CsPbBr3-XIX, обладающих улучшенными характеристиками, важными для создания нового поколения оптоэлектронных устройств;
Спектры фотолюминесценции образцов микро- и нанокристаллов перовскитов состава CsPbBr3-xClx, X = 0.5, 1, 1,5 2, 2,5 и 3
- Проведены исследования кинетики высвобождения смеси гидрофильного и гидрофобного биологически активных веществ из полиэлектролитных полимерных матриц в зависимости от химического состава смеси;
Экспериментальные кривые малоуглового рассеяния рентгеновского излучения для образцов водных дисперсий компонентов полиэлектролитных матриц с БАВ после их высвобождения
- Исследована структура полиэлектролитных матриц, содержащих смесь гидрофильного и гидрофобного БАВ методом рентгеновского рассеяния на источнике синхротронного излучения КИСИ-Курчатов. Полученные результаты обладают большой практической значимостью ввиду возможности их использования при создании систем управляемой направленной доставки терапевтических БАВ в область поражения;
- Проведена оценка применимости синхротронного метода картографирования в резонансной рентгеновской рефлектометрии к профилированию гетероструктур со слабым оптическим контрастом между слоями. Продемонстрирована возможность применения автоматического восстановления спектров оптических констант с разрешением по глубине из экспериментально измеренных карт мягкого рентгеновского резонансного отражения;
Пример построения карт зависимости интенсивности отражения (слева) и дихроизма отражения (справа) от энергии фотонов и угла падения
- Развиты подходы к получению ряда макромолекулярных композитов на основе функционализированного графена с ковалентно иммобилизованными красителями из линейки Нейтральный красный, Азур А, Акридиновый желтый, Бисмарк коричневый, Парарозанилин. Разработанные методы синтеза легко масштабируемы и позволяют в короткие сроки наладить лабораторное производство МКФГ данного типа;
- Изготовлен и успешно протестирован прототип мультисенсорного газоаналитического чипа для селективного детектирования спиртов на фоне воздуха. Проведенные тесты изготовленного чипа подтвердили перспективность использования полученных МКФГ, а также их последующих вариаций, для создания мультисенсорных газоаналитических чипов с последующей их интеграцией в разрабатываемые интеллектуальные датчики «Электронный Нос» и «Электронный язык»;
- Созданы тестовые образцы чипов биосенсоров на основе структур графен/SiC;
Фотография набора тестовых образцов чипов биосенсоров на основе структуры графен/SiC
- Исследованы структурные характеристики коронавирусов. Полученные данные позволят в дальнейшем оптимизировать и усовершенствовать создание SERS подложек для диагностики коронавируса;
Электронная фотография коронавируса и его форма, восстановленная из данных малоуглового рассеяния рентгеновского излучения (сверху), модель универсиальной платформы для диагностики вирусных заболеваний и пример классификации вирусов при помощи алгоритмов машинного обучения (снизу)
- Разработана методика изготовления фотокатализаторов для процессов получения водорода методом фотоэлектрокаталитического расщепления воды. Разработаны технические предложения по повышению срока службы электродных материалов при длительном циклировании;
- Разработана методика проведения эксперимента по изучению фазовых состояний полидиметилсилоксана (ПДМС) в области пониженных температур при различных соотношениях сшивающего агента к базовому прекурсору;
Графики перераспределения фаз для полидиметилсилоксана с соотношением базового реагента к сшивающему 30:1 при различных температурах.
Слева показаны наложенные кривые в областях, отмеченных соответствующим цветом справа.
- Проведены экспериментальные исследования физических принципов создания и перспектив применения кристаллов на основе полупроводниковых ННК для генерации одиночных фотонов, и изготовлены образцы таких полупроводниковых ННК;
- Проведены экспериментальные работы по изготовлению различных образцов Ga2O3 из ростовых буль для исследования рентгеновскими методами. Сформулированы основные методические положения, позволяющие исследовать структурное совершенство кристаллов оксида галлия при помощи дифракции синхротронного излучения в том числе с использованием методов дифракционной рентгеновской топографии на станции МЕДИАНА синхротрона КИСИ-Курчатов.
Подготовка научных кадров для проведения синхротронных и нейтронных исследований
- Продолжена реализация магистерской образовательной программы “Лазерные и синхротронные технологии мегасайенс”. В настоящее время на программе обучается 24 студента, первый выпуск состоится весной 2024 года;
- Реализована программа дополнительного профессионального образования «X-ray synchrotron and laser research methods in materials science / Рентгеновские синхротронные и лазерные методы исследования в материаловедении», выпускниками которой стали 54 человека;
- Проведена всероссийская Школа-конференция «Рентгеновские синхротронные и лазерные методы в физике материалов»;
- Продолжены встречи со школьниками в рамках профориентационной и научно-просветительской деятельности.
Результаты проекта в 2022 году:
Творческий коллектив:
115 человек, включая: 23 доктора наук, 68 кандидатов наук, 18 аспирантов, 15 магистрантов
Наука
> Создана теоретическая модель генерации рентгеновских фотонов с орбитальным моментом в ондуляторе и исследованы эффекты циркулярного дихроизма в процессах ионизации атомов бигармоническим nw+mw пучком
Пространственная плотность энергии закрученных фотонов
> Исследованы процессы образования супрамолекулярных сборок малых гетероциклических органических молекул с заданными микроструктурными характеристиками
Трехмерная и двумерная диаграммы взаимодействия лиганда ZINC12601598 и хистона диацетилазы
> Исследованы процессы сверхбыстрой магнитной динамики при оптической накачке в ферримагнитных тонких пленках с несколькими магнитными подрешетками Разработана модель, описывающая пространственные магнитные флуктуации, возникающие в ферромагнитных доменах при оптической накачке
(а)
(б)
Схематическое изображение магнитного малоуглового рассеяния от многослойного образца Co/Pt c лабиринтными магнитными доменами
> Разработаны методы эпитаксиального выращивания тонких ферримагнитных пленок с несколькими магнитными подрешетками
> Разработана технология получения тонких пленок смешанно- галогенидных перовскитов CsPbBr3-YX, Y= Cl, I и получены образцы для исследования при помощи синхротронного излучения
Дифрактограммы образцов тонких пленок смешанно-галогенидных перовскитов
> Проведены исследования полиэлектролитных полимерных, перспективных в области адресной доставки лекарственных соединений и биологически активных веществ
Рентгенограммы образцов полиэлектролитных матриц с (зеленая кривая) и без (красная кривая) биологически активных веществ
> Исследован рост графена на подложке SiC, созданы образцы макромолекулярных композитов на основе функционализированного графена (МКФГ)
Принципиальная схема реакции получения серосодержащего МКФГ, разработанная в ходе выполнения проекта
> Разработаны новые принципы структурной диагностики атомной и электронной структуры МКФГ, выбрана структура композитов и дизайн образцов, синтез которых будет проводиться в третий год выполнения проекта с целью проведения измерений на станциях EuXFEL (либо аналогичных установок)
Оптическая фотография пленки аминированного графена на поверхности подложки с системой измерительных электродов после их разварки золотой проволокой
> Получены электродные материалы химических источников тока и ячейки на основе аккумуляторного элемента для исследования структурно фазовых превращений непосредственно в процессе заряда и разряда с использованием синхротронного излучени
(а)
(б)
Сборка аккумуляторной ячейки: компоненты аккумулятортной ячейки (а), перчаточный бокс Вилитек (б)
> Совместно с НИИ Гриппа проведены работы по культивации и инактивации различных штаммов коронавирусов, разработаны методы очистки и характеризации образцов вирусных частиц; получена база данных рамановских спектров коронавирусов
Электрофореграмма, демонстрирующая наличие полос, соответствующих по молекулярному весу S и N белкам коронавируса SARS-CoV-2
> Собран массив микроснимков супермолекулярных самосборок с различными микроструктурными характеристиками для последующего анализа влияния условий формирования на микроструктурные характеристики самосборок статистическими методами и методами машинного обучения
Архитектура нейронной сети VGG16, адаптированная для заданной системы
Мероприятия по созданию сетевой синхротронной и нейтронной научно-исследовательской инфраструктуры на территории Российской Федерации
> Создана научно-исследовательская лаборатория «Спектроскопия биологических объектов»
> Проведено дооснащение лабораторий комплектующими и оборудованием для установок синтеза и анализа нано- и биоматериалов
Подготовка научных кадров для проведения синхротронных и нейтронных исследований
> По профессиональной программе разработаны и опубликованы в открытом доступе на сайте Университета ИТМО учебно-методические пособия:
1. Е.Э. Попов, В.В. Виткин. Лазерная спектроскопия биологических объектов: Учебное пособие. – СПб: Университет ИТМО, 2022. – 46 с.
http://books.ifmo.ru/book/2575/lazernaya_spektroskopiya_biologicheskih_obektov:_uchebno-metodicheskoe_posobie._.htm
2. Алоджанц А.П., Баженов А.Ю., Никитина М.М., Осипов С.В, Ца-рёв Д.В. Interaction of Radiation with Matter: Guidelines for Practical Work: Учебное пособие. - Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2022. - 52 с.
http://books.ifmo.ru/book/2612/Interaction_of_Radiation_with_Matter:_Guidelines_for_Practical_Work:_uchebnoe_posobie._.htm
3. Кириленко Д.А. Physical Crystallography = [Физическая кристал-лография] : Учебно-методическое пособие - Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2022. - 38 с.
http://books.ifmo.ru/book/2619/Physical_Crystallography_=_[fizicheskaya_kristallografiya]_:_uchebno-metodicheskoe_posobie.htm
4. Кириленко Д.А. Fundamentals of Structural Characterization by Dif-fraction Techniques: Учебно-методическое пособие. - Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2022. - 33 с.
http://books.ifmo.ru/book/2618/Fundamentals_of_Structural_Characterization_by_Diffraction_Techniques:_uchebno-metodicheskoe_posobie..htm
5. Snetkov P.P., Morozkina S.N., Uspenskaya M.V. Hyaluronic acid as a polymer matrix for perspective biomaterials : Study Guide. - : ITMO Univer-sity, 2022. - 31 с.
разработаны курсы лекций и презентации к ним
> С целью формирования устойчивого интереса у выпускников школ к исследовательской деятельности на уникальных научных установках класса "мегасайенс" проедены встречи со школьниками в рамках профориентационной и научно-просветительской деятельности
Фотографии встреч с учащимися школ №31 и №368 г. Санкт-Петербурга
> Проведена приемная кампания и реализованы модули 1-го семестра образовательной программы «Лазерные и синхротронные технологии мегасайенс / Megascience laser and synchrotron technologies» https://abit.itmo.ru/program/master/megascience
> Реализована программа дополнительного профессионального (ДПО) образования повышения квалификации «X-ray synchrotron and laser research methods in materials science / Рентгеновские синхротронные и лазерные методы исследования в материаловедении». Удостоверение о повышение квалификации выдано 57 слушателям программы, успешно прошедшим обучение
> В рамках конференции «20th International Conference Laser Optics ICLO 2022» была организована школа «X-ray synchrotron and laser research methods in materials science» https://laseroptics.ru/
Результаты проекта в 2021 году
Наука
> исследованы сечения ионизации нейтральных атомов бигармоническим излучением и эффекты дихроизма при такой ионизации, квантовое состояние и угловой момент фотонов ондуляторного излучения, а также квантовой запутанности и роли пост-селекции квантового состояния конечного электрона в ондуляторном излучении EuXFEL
> отработана технология выращивания образцов тонких магнитоупорядоченных слоёв с перпендикулярной магнитной анизотропией и исследованы их морфология, кристаллическая структура и магнитные свойства
> разработано программное обеспечение по анализу сверхбольших массивов данных по магнитному рассеянию
Процесс обработки данных по малоугловому рассеянию рентгеновского излучения, полученных с детектора DSSC на станции SCS EuXFEL
> проведена модернизация ростовой установки для получения образцов графена на SiC, проведён отжиг и травление образцов, изучены их характеристики
АСМ карты рельефа поверхности подложки SiC после отжига в газовой смеси, содержащей водород при разной температуре
> получены и изучены образцы макромолекулярных композитов на основе оксида графена и различных красителей
Схема функционализации графена
> разработана методика in situ мониторинга на установке EuXFEL морфологии и кристаллической структуры одиночного GaAs ННК при автокаталитическом ростеъ
Схема измерений морфологии и фазы одиночного нитевидного нанокристалла методом XRD
> разработана и испытана методика изготовления композитных материалов на основе полидиметилсилоксана и металлических и оксидных частиц с использованием метода микроволнового нагрева
> разработана методика получения нановолокнистых полиэлектролитных полимерных матриц методом электропрядения из растворов на основе гидрофильной гиалуроновой кислоты с «загрузкой» природного гидрофобного биологически активного агента куркумина без применения токсичных активирующих агентов
> проведена инактивация вируса гриппа с последующим исследованием образцов методом Рамановской спектроскопии для подготовки к исследованиям на EuXFEL
Функции пространственного распределения элементов супрамолекулярных сборок
> получены и исследованы образцы нанокристаллов галогенидных перовскитов
Флуоресцентные снимки и спектры излучения перовскитных микро- и нанокристаллов
> получены и исследованы фотокатализаторы в форме нано- и микрочастиц оксида цинка
Изображения синтезированных дисперсных частиц оксида цинка
Образование
> предложена концепция магистерской ОП «Лазерные и синхротронные технологии Мегасайенс»
> разработан учебный план магистерской ОП, включая набор дисциплин и назначение преподавателей https://abit.itmo.ru/program/16117/
> организована Школа-конференция молодых учёных "X-ray synchrotron and laser research methods in materials science" https://laseroptics.ru/2-uncategorised/169-the-school-x-ray-synchrotron-and-laser-research-methods-in-materials-science.html , участники которой имеют уникальную возможность получить дополнительное образование по направлению «X-ray synchrotron and laser research methods in materials science / Рентгеновские синхротронные и лазерные методы исследования в материаловедении»
Общие сведения
Заказчик
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2021-1349)
Финансирование
грант в форме субсидии из федерального бюджета на реализацию отдельных мероприятий ФНТП СиН в 2021-2023 гг. Объём финансирования: субсидия 305 млн. руб. + софинансирование 30.5 млн. руб.
Цель работы
Создание сбалансированной экосистемы подготовки кадров и проведения уникальных исследований на установке EuXFEL и других установках класса «мегасайенс» на основе интеграции фотонных, цифровых и биотехнологий.
Научный руководитель
доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ЛОФДиГ Алексей Евгеньевич Романов
Направления научных исследований
> биосенсоры на основе интерфейса графен/SiC; лидеры направления – Т.С. Аргунова, А.А. Лебедев, ФТИ
> галогенидные перовскиты для возобновляемой энергетики; лидер направления – С.В. Макаров, ИТМО
> источники “закрученных” фотонов рентгеновского диапазона; лидер направления – Д.В. Карловец, ИТМО
> полиэлектролитные полимерные матрицы, в том числе на основе биополимеров, со смесью гидрофильных/гидрофобных биологически активных веществ; лидеры направления – М.В. Успенская, Р.О. Олехнович, ИТМО
> макромолекулярные композиты на основе функционализированного графена; ; лидер направления – М.В. Байдакова, ФТИ
> молекулярные сети в механике адгезии композиционных материалов на основе ПДМС; лидер направления – Л.М. Дорогин, ИТМО
> сверхбыстрая динамика перемагничивания в тонких слоях ферромагнетиков; ; лидер направления – С.М. Сутурин, ФТИ
> спектральный паспорт SARS-Cov-2; лидеры направления – В.В. Виткин, ИТМО и Д.Н. Даниленко, НИИ гриппа
> супрамолекулярные самосборки и наноразмерные структуры; лидеры направления – Е.В. Скорб ИТМО
> функциональные материалы для химической и энергетической промышленности; лидер направления – М.В. Дорогов, ИТМО
Консорциум
Университет ИТМО + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе + НИИ гриппа им. А.А. Смородинцева