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.
Никита Торопов, кандидат физико-математических наук, проект «Разработка источников когерентного излучения на основе оптических субволновых антенн»
Источники когерентного излучения – это лазеры, которые давно вошли в нашу жизнь. Однако развитие электроники и фотоники предъявляет к лазерам более высокие требования, связанные с улучшением рабочих характеристик и миниатюризацией. К таким вызовам обычные лазеры оказались не готовы, поскольку их размер не может быть сколь угодно мал. Он сопоставим с длиной волны генерируемого излучения, а это сотни-тысячи нанометров. На первый взгляд, это достаточно мало, но в сравнении с технологиями интегральных схем и разработками их элементов до семи нанометров, лазер в 1000 нанометров кажется гигантским устройством. В нашем проекте мы занимаемся разработкой лазеров, размер которых был бы значительно меньше. Для этого мы используем наноантенны – частицы благородных металлов, которые выполняют роль резонаторов.
Процесс создания нанолазеров очень интересный, но вместе с тем крайне трудоёмкий, поскольку исследуемые объекты очень малы, при поиске генерации обнаруживается большое число других трудно объяснимых явлений.
Мы уже выполнили несколько успешных экспериментов, которые показывают работоспособность нашей идеи. Изучив данные из мировой литературы по тематике плазмонных нанолазеров, мы пришли к выводу, что существует несколько экспериментальных реализаций нанолазеров, результаты которых оспариваются в научном сообществе. Так, например, самый первый успешный эксперимент, где наблюдалось вынужденное излучение коллоидного раствора наночастиц благородных металлов, до сих пор многие коллективы даже не могут воспроизвести. Мы же от коллоида перешли к планарным образцам, по аналогии с микросхемами, и получили желаемое вынужденное излучение, аналогичное лазерному. Теперь перед нами стоит задача корректной интерпретации наблюдаемого явления, для которого необходимо собрать больше информации о его свойствах.
Мы не ориентированы на выведение проекта в прикладную область. Прежде всего, наша задача – показать принцип и доказать работоспособность, это научное творчество. Однако спектр применений нанолазеров очень широк: сенсоры, элементы оптической обработки информации, фотодинамическая терапия, биоанализы и другие.
Пока проект только начался, у нас есть первые результаты, корректную интерпретацию которым нам нужно дать. Это определит следующие шаги. Результаты нужно опубликовать, представить научной общественности и подумать о прикладной значимости исследования. Грант Президента РФ безусловно поможет в реализации проекта, поскольку теперь задачи публикаций и участия в конференциях легче реализовать. Кроме того, мы можем проделать больше экспериментов, вовлекая в работу новых магистрантов и аспирантов на платной основе.
Проект рассчитан на два года. Однако, постоянно находясь в поиске, новые идеи часто приходят в голову. Сейчас, например, возникает вопрос не только о создании нанолазеров, но и об изучении генерационных характеристик. То есть сроком гранта все не ограничится.
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.
