СМИ о нас

Российские ученые совершили ряд открытий в физике, химии, астрономии и других дисциплинах

Завершается второй год Десятилетия науки и технологий, наступает год 300-летия Российской академии наук. В общем, от науки никуда не спрятаться, не скрыться. Под занавес уходящего года мы решили подбить своеобразный итог, написать о том, какие научные работы «выстрелили» громче всех, запомнились, полюбились. Итак, встречайте десять ярких научных открытий.

Микроэлектроника. Так диагностируют «боевой стресс». Фото: А.Леонтьева

Математика. Прогноз погоды на мировом уровне

Более усовершенствованная модель расчета прогноза погоды была внедрена в оперативный прогноз на территории России в сентябре 2023 года. Если раньше разрешение сети, так называемый шаг температурных измерений по поверхности Северного полушария, измерялось в пределах 30 километров и больше, теперь оно уменьшилось до 10 километров.

Математика. Схема распределения температуры по поверхности Земли. Фото предоставлено Михаилом Толстых.

Прогноз погоды это то, с чем каждый из нас сталкивается каждый день. И каждый синоптик скажет вам, что погоду невозможно прогнозировать на промежуток времени длиной более 5 дней — это максимум, который пока не перешагнул никто. Но что касается точности прогнозирования в течение этого периода, она у российской модели средне-срочного прогноза погоды до последнего времени оставляла желать лучшего.

В уходящем году сотрудники Института вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН совместно с Гидрометцентром РФ усовершенствовали математический инструмент синоптиков. В лаборатории под руководством профессора РАН Михаила Толстых была разработана, а потом внедрена модель «ПЛАВ-10».

 Это так называемая система детерминистического, то есть, учитывающего все явления и процессы, численного прогноза погоды. Если мысленно двигаться по поверхности Земли, то сейчас, благодаря «ПЛАВ-10», расстояние между измеряемыми точками составляет 10 километров. Это разрешение в три раза превышает прежнее, теперь наши синоптики владеют математическим инструментом, сопоставимым по уровню точности с мировыми моделями.

Медицина. Искусственная роговица

Идея создания искусственной роговицы лежала на поверхности долгие годы. Это было обусловлено высокой частотой заболеваний в результате травм, ожогов, генетических заболеваний и дефицитом донорского материала. По последним данным, на одну донорскую роговицу, взятую у умершего человека, претендуют примерно 70 пациентов.

Медицина. Искусственная роговица ( помечена стрелкой). Фото: Андрей Андреев

Есть сегодня в арсенале медиков искусственные роговицы из синтетических биополимеров, но они часто отторгаются организмом из-за плохой биосовместимости.  Российским ученым НИИ глазных болезней им. М.М. Краснова удалось под руководством профессора Юсефа Наима Юсефа создать искусственную роговицу из коллагена, которая абсолютно биосовместима с организмом. Мало того, тканевые инженеры разработали такую методику, при которой со временем она растворяется и замещается собственными тканями пациента, «включается» механизм собственной клеточной регенерации. 

 В основе коллагеновой мембраны Viscoll, разработанной нашими учеными, лежит использование стерильного, высокоочищенного раствора коллагена 1 типа. Мембрана достаточна прочна, что важно при ее  шовной фиксации. На сегодняшний день пройден ряд многолетних экспериментов на кроликах породы шиншилла, у которых специалисты получили прозрачное приживление трансплантата.

Клинические испытания продолжаются. Специалисты рассчитывают, что года через два после введения коллагеновой роговицы в практику, очередь из пациентов может сократиться на 20-30%.

Химия. ИИ-революция в катализе

В мире химии катализаторы - это незримые герои. Они ускоряют химические реакции, при этом сами не расходуются, и играют ключевую роль во многих процессах, от производства лекарств до очистки окружающей среды. Однако понимание того, как работают катализаторы, всегда было сложной задачей. В Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН предложили по-настоящему революционную идею – трансформирующего 4D-катализа.  Новая концепция была открыта и описана в 2023 году в лаборатории под руководством академика РАН Валентина Ананикова.

 Представьте, что вы можете наблюдать за химической реакцией по мере её протекания, видя, как молекулы взаимодействует с каталитическим центром и изменяются со временем.  Это четырехмерный взгляд на катализ, не как на статичный процесс, а как на динамичный танец атомов и молекул, позволит ученым  разрабатывать новые, более эффективные ускорители реакций.

Переход к 4D-катализу не был бы возможен без современного компьютерного прорыва - алгоритмизированного искусственного интеллекта (ИИ). Сложность химических реакций, с бесчисленным количеством переменных и одновременно протекающих реакций, уже обрабатываются и анализируются ИИ, он помогает решать «нерешаемые» ранее задачи.

Потенциальные области применения новой технологии очень разнообразны. Представьте топлива, которые сгорают чище, уменьшая воздействие на окружающую среду, более прочные и долговечные материалы, эффективные лекарства, адаптированные к индивидуальным потребностям пациента да еще с меньшим количеством «побочек». Появление химических веществ для подобных достижений уже находится в пределах обозримого будущего.

Физика. Квантовый ионный компьютер

Самый мощный универсальный ионный квантовый компьютер в России был продемонстрирован в 2023 году сотрудниками совместной лаборатории Физического института им Лебедева РАН (ФИАН) и Российского квантового центра.

Физика. Квантовый ионный компьютер ФИАНа. Фото предоставлено ФИАНом.

Чтобы понять, какой квантовый компьютер лучше, важно учитывать сразу несколько параметров. Один из них – количество единиц информации – кубитов. В компьютере разработчиков из ФИАНа их 20. Но, по словам одного из авторов работы Ильи Семерикова, кроме количества важна также достоверность одно-кубитной и двухкубитной операций, важно понимать, какой сложности алгоритм можно запустить на квантовом компьютере.

В настоящее время российский ионный квантовый компьютер немного уступает западным аналогам, имеющим по 30-32 кубита. Но! Он вырывается вперед по другому параметру, – в нем специалисты опробовали не простую кубитную (двухуровневую квантовую систему), а сразу четырехуровневую – кудитную, которая эффективней от двух до 6 раз в зависимости от заложенных алгоритмов вычисления. Компьютеров, способных на такое, в мире всего два – один — в ФИАНе, второй в Австрии, причем созданы они были почти одновременно. У нашего компьютера очень хорошая достоверность однокубитных операций – 99,95%. Также на нем уже проведены первые алгоритмы реализующие преимущества кудитных систем.

Ожидается, что первое полезное применение квантовых компьютеров в мире начнется в диапазоне от 5 до 10 лет. Российские ученые уверены, что не отстанут от мировых трендов и также через 5-10 лет смогут выдавать результаты по моделированию сложнейших химических веществ, включая лекарства, эффективные бизнес-прогнозы и пр. Однако точно предсказать, какая задача станет первой для квантового компьютера в будущем, пока не берется никто.

           Общественные науки. База дружественных контактов

Базу данных с информацией о более тысяче ведущих аналитических центров («фабрик мысли»), расположенных в «незападных» странах собрали и верифицировали в 2023 году сотрудники Института научной информации по общественным наукам (ИНИОН). Исследование охватывает аналитические центры в Китае, Монголии, Индии, Иране, Турции, ряде арабских государств, странах-членах ЕАЭС и других бывших республик СССР.

Основной задачей ученых было предоставить, как российским, так и зарубежным ученым хороший навигатор по аналитическим центрам, который лишен ангажированности и политической предвзятости публиковавшихся ранее рейтингов американских университетов. В институте уверены, что их данные будут способствовать развитию научной дипломатии по тем направлениям, где ранее она была в дефиците.

Общественные науки. Обложка Атласа аналитических центров большой Евразии. Фото предоставлено А. Кузнецовым.

Среди конкретных результатов можно отметить начало выпуска справочников. Уже увидел свет первый том «Атласа аналитических центров Большой Евразии», посвященный странам ЕАЭС, Азербайджану, Таджикистану, Узбекистану, Монголии, второй планируется к выпуску в 2024 году. Учеными ведется перевод полученной информации на английский, китайский и некоторые другие языки, устанавливается прямая научная коммуникация с представителями аналитических центров из разных стран.

        Физиология. «Выключить» эпилепсию

Забрезжил «луч света» для больных эпилепсией. В ноябре 2023 года в престижном международном журнале Gene Therapy вышла статья о генном подходе к лечению эпилепсии с довольно большим списком авторов из Москвы и Питера. В нем – физиологи из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Института эволюционной физиологии и биохимии им. Сеченова РАН, молекулярные биологи из Института биоорганической химии им. Шемякина-Овчинникова РАН, Федерального центра исследований мозга и нейротехнологий ФМБА, Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова.

Дело в том, что десятки миллионов людей во всём мире страдают от наследственной или приобретенной эпилепсии. Причиной судорожных припадков является безудержная активность нервных клеток, расположенных во вполне определённых и хорошо известных физиологам и медикам отделах головного мозга. Смысл лечения – подавить эту активность, заставить нейроны «замолчать». До последнего времени это если удавалось, то медикаментозным или хирургическим путем. Но примерно в 30% случаев лекарства этим больным не помогают. Ученые нашли альтернативу – современную генную терапию.

Генетическим «инструментом» в работе 2023 года, о которой идёт речь, стал ген вполне конкретного белка. Авторы с помощью безвредного вируса-носителя целенаправленно ввели ген этого белка в те конкретные клетки мозга, которые отвечают за эпилептический припадок. Через какое-то время ген произвёл (экспрессировал) в этих клетках нужный белок (белок этот – ионный канал для ионов калия). В результате этого нервная клетка «замолчала», её безудержная физиологическая активность затормозилась!

Конечно, пока работа находится на стадии сугубо фундаментальных, лабораторных исследований. Но ученые уверены, что данный подход в итоге окажется весьма перспективным.

Сельскохозяйственные науки. Самый богатый урожай 

В 2023 году ученые Федерального исследовательского центра «Немчиновка» установили рекорд: вывели сорт озимой пшеницы, который на делянке потянул на 158(!) центнеров с гектара, и это без потери качества зерна! Назвали красавицу «Васильевной»!

Сельхознауки. Сорт озимой пшеницы Васильевна во всей красе. Фото: В.Бугрова

Чтобы было понятней, сорта «Немчиновки» и раньше славились высокими урожаями сочетающимися с высоким качеством зерна, среди которых сорта Московская 39, Московская 40, Московская 56, Немчиновская 24, Немчиновская 85. Урожайность сорта Немчиновская 24 на опытных делянках, при высокоинтенсивной технологии возделывания достигала 140 центнеров с гектара. Но ученые шли вперед, создавая новый, более перспективный селекционный материал.

Васильевна «закладывалась» десять лет назад, в 2013-м году, когда сотрудники лаборатории озимой пшеницы скрестили сорт Немчиновская 24 с румынским сортом. После полученный результат методом ступенчатой гибридизации скрестили с сортом немчиновской селекции Московская 40. Далее была выделена перспективная линия, которую оценивали в полевых условиях на продуктивность, зимостойкость, устойчивость к болезням и в лабораторных условиях по содержанию в зернах белка и клейковины — главных качеств для хлебопечения.

Сельхознауки. Сорт Васильевна. Фото: В.Бугрова

В итоге Васильевна попала в конкурсное сортоиспытание. В период с 2021 по 2023 годы на полях ФИЦ «Немчиновка», которые находятся в Новомосковском административном округе столицы, новая пшеница «соревновалась» с другими перспективными линиями и стандартным сортом. Здесь она всех и опередила. Сейчас сорт передан на Государственное сортоиспытание, на основании которого будет принято решение о его дальнейшем распространении.

Сорт Васильевна относится к первому классу пшениц – содержание белка 14-15 %, содержание клейковины 30-32%.

Микроэлектроника и новейшие когнитивные исследования. Противостояние «боевому стрессу»

Ученые-психофизиологи и физики из МГУ, а также Института проблем лазерных и информационных технологий РАН объединились для разработки методов диагностики и лечения «боевого стресса», а точнее посттравматического стрессового расстройства (ПТСР). Они создали комплексный подход, который помогает «заглянуть в душу» человеку не только при помощи психологического тестирования, но и посредством разработанного экспериментального аппаратно-диагностического комплекса.

По словам завкафедрой психофизиологии МГУ Александра Черноризова, с травматическими событиями люди сталкиваются не только во время боевых действий. Расстройства могут возникать на фоне тяжелых болезней, типа COVID-19. Часто ПТСР сопровождается другими заболеваниями – диабетом, сердечно-сосудистыми заболеваниями, нарушениями психического здоровья, злоупотреблением психоактивными веществами, алкоголем, которые могут затруднить поиск диагностических критериев для выявления и различия психотравм.

Поэтому ученые решили работать с биомаркерами «боевого стресса» при помощи методов междисциплинарного характера.

 Первый этап исследования посвящен психологическому (субъективному) тестированию с использованием ряда диагностических опросников, утвержденных Минздравом РФ в 2023 году. Далее результаты, по словам руководителя команды физического факультета, профессора Александра Шкуринова, сопоставляются с данными, полученными с использованием аппаратно-диагностического комплекса, то есть, с надетыми на голову шапочкой электроэнцефалографа, периферических датчиков. Все эти параметры могут меняться при остром или хроническом стрессе и сигнализировать доктору о выявленном ПТСР, а высокоскоростная камера в терагерцовом диапазоне улавливает едва заметные характерные изменения излучения от лица пациента. 

Историко-филологические науки. ДНК сына Невского

Первое полногеномное исследование останков представителя рода Рюриковичей – сына Александра Невского Дмитрия Александровича, провели российские ученые. Оно показало наличие славянских, скандинавских и азиатских корней.

Исследование началось после археологических раскопок в Переславле-Залесском, где в Спасо-Преображенском соборе захоронены останки одного из четверых сыновей Александра Невского. В работе принимали участие специалисты Института археологии РАН и Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии».

Выделение ДНК из костных останков князя –  пястной кости, коленной чашечки и ладьевидной кости стопы дало следующие результаты. Установлено, что Y-хромосома, выделенная из останков Дмитрия Александровича, принадлежит к N1a-гаплогруппе, которая присутствует в геномах большинства современных Рюриковичей, род которых ведется с XI века, со времени царствования князя Ярослава Мудрого. Среди предков князя, по словам генетиков, могли быть представители скандинавских, финно-угорских, славянских и степных, кочевых народов. Генетики также исследовали митохондриальную ДНК Дмитрия Александровича, которую он унаследовал от матери. Она принадлежит к гаплогруппе F1b1, которая встречается в Центральной Азии.

                                      Астрофизика. Загадочная частица      

Возможное происхождение космической частицы невероятной мощности, открытой астрофизиками при помощи телескопа Telescope Array в штате Юта (США) дали в 2023 году российские ученые из Института ядерных исследований РАН.

Астрофизика. Направление прихода события-частицы (черный кружок) на карте локальных источников в экваториальных координатах. Фото предоставлено ИЯИ РАН.

Энергия частицы, прилетевшей в 2021 году, составила 2,44х10 в 20 степени эВ. Ее назвали Аматэрасу в честь богини Солнца из японской мифологии.

Частица вызвала большой ажиотаж во всем мире, поскольку известно, что никаких потенциальных ее источников в обозреваемой части неба нет. Из более же дальних уголков Вселенной высокоэнергичные частицы к нам долетать не могут, поскольку за пределом Зацепина-Кузьмина-Грайзена (около 160 миллионов световых лет или 50 мегапарсек) большинство высокоэнергичных частиц (с энергией выше 5х10 в 19 эВ) поглощаются.

Ученые из группы ИЯИ РАН внесли решающий вклад в физическую интерпретацию наблюдаемого события. Они установили отсутствие взаимосвязи частицы с внегалактическими объектами и вычислили расстояние до ее предполагаемого источника – с 95-процентной вероятностью он находится не дальше 15 миллионов световых лет от Земли. Чем же он может быть? По словам одного из авторов работы Михаила Кузнецова, не исключено, что источником мог быть гамма-всплеск, который со временем успел потухнуть, а частица от него –  долететь до нас. Направление прихода частицы соотнесено с картой внегалактических объектов и установлено, что частица пришла из пустой области нашей Вселенной.

https://www.mk.ru/science/2023/12/27/ot-rogovicy-do-kvantovykh-kompyuterov-opredelena-desyatka-yarkikh-nauchnykh-rabot-2023.html

Вручение первой Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» состоялось в Москве 19 декабря 2023 г. Лауреатами в номинации «Перспектива» стали сотрудники лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук и Российского квантового центра Александр Станиславович Борисенко, Илья Владимирович Заливако и Илья Александрович Семериков. Разработанный ими ионный квантовый процессор с использованием многоуровневых квантовых систем — кудитов — предлагает один из вариантов решения проблемы масштабирования квантовых компьютеров, над которой сейчас работают ученые всего мира.

Разработка ионного квантового процессора идеально соответствовала номинации «Перспектива» ― научному достижению, повлиявшему на динамику развития будущих технологий. Эта награда вручается ученым до 35 лет за работы, в которых прослеживается четкая связь между полученным научным результатом и возможностью в будущем создать на его основе технологическое решение.

«Наиболее яркой отличительной особенностью нашей системы является именно многоуровневость. Одна из проблем, с которой сталкиваются разработчики квантовых компьютеров, это проблема масштабирования. Люди научились делать маленькие квантовые компьютеры, но всем хочется делать большие системы, потому что это позволит решать сложные, полезные задачи, с которыми классические компьютеры не справляются.

Почему создание больших систем ― это пока еще не решенная задача? В первую очередь из-за накапливающихся ошибок при масштабировании, чем больше кубитов ― тем больше ошибок. Но можно ли перенести результаты, получаемые на небольших системах, на что-то более крупное, при этом не увеличивая количества частиц?

Одна из отличительных особенностей нашей системы в том, что за счет многоуровневости мы более плотно кодируем информацию в частицах. Это позволяет нам увеличивать сложность решаемых задач без увеличения количества ионов. В этом направлении мы на уровне с мировыми аналогами, при этом у нас есть целый ряд уникальных решений», ― рассказал корреспонденту «Научной России» лауреат премии «Вызов», один из разработчиков процессора, кандидат физико-математических наук И.В. Заливако.

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.

https://scientificrussia.ru/articles/sotrudniki-fian-nagrazdeny-premiej-vyzov-za-sozdanie-ionnogo-kvantovogo-processora

Вручение первой Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» состоялось на этой неделе в ЦВЗ Манеж в Москве. Лауреатами в номинации «Перспектива» стали сотрудники лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. П.Н. Лебедева РАН @lpi_ras Александр Борисенко, Илья Заливако и Илья Семериков.

Премия присуждена за создание ионного квантового процессора с использованием многоуровневых квантовых систем — кудитов — и демонстрацию квантовых алгоритмов.

В других номинациях лауреатами стали:

• «Инженерное решение» — коллектив из ОИЯИ: директор института академик РАН Григорий Трубников, зам.директора по научной работе ЛФВЭ ОИЯИ @lhep_jinr Гамлет Ходжибагиян и начальник сектора высокотемпературных сверхпроводящих магнитов ЛФВЭ ОИЯИ Михаил Новиков (за разработку магнитных систем на основе высокотемпературных сверхпроводников для ускорителей заряженных частиц и сверхмощных накопителей энергии. за разработку и производство магнитов из высокотемпературных сверхпроводников);

• «Прорыв» — вице-президент по фотонике и руководитель Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха профессор Павлос Лагудакис (за развитие физики поляритонов и разработку транзистора на поляритонах).

• «Ученый года» — директор Института Трансляционной Биомедицины СПбГУ Рауль Гайнетдинов, один из крупнейших специалистов по дофаминовым рецепторам и следовым аминам.

https://t.me/rasofficial/8045

В Москве состоялось вручение первой Национальной премии в области будущих технологий «Вызов». Лауреатами в номинации «Перспектива» стали сотрудники лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук.

Торжественная церемония награждения прошла накануне в Центральном выставочном зале Манеж. По словам учредителей Премии, её цель — отметить новаторские идеи и изобретения, изменяющие ландшафт современной науки и жизнь каждого человека. Название «Вызов» подчёркивает устремленность в будущее и применимо в значении сложнейшей задачи, для решения которой требуется прорывная энергия, фундаментальные знания и смелость.

Лауреатами первой Национальной премии «Вызов» в номинации «Перспектива» стали кандидаты физико-математических наук, научные сотрудники лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН Александр Борисенко, Илья Заливако и Илья Семериков.

Премия присуждена за создание ионного квантового процессора с использованием многоуровневых квантовых систем — кудитов — и демонстрацию квантовых алгоритмов.

В номинации «Перспектива» (научное достижение, повлиявшее на динамику развития будущих технологий) награда вручается ученым до 35 лет за работы, в которых прослеживается четкая связь между полученным научным результатом и возможностью в будущем создать на его основе технологическое решение.

Источник: отдел по связям с общественностью ФИАН.

https://new.ras.ru/activities/news/sotrudniki-fian-poluchili-pervuyu-natsionalnuyu-premiyu-vyzov/

Минобрнауки России подвел итоги первого конкурса персональных стипендий имени Николая Басова. Поощрения предназначены для аспирантов Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, которые имеют значительные успехи и достижения в области лазерной физики.

Стипендия назначается каждому из пяти победителей на один учебный год и выплачивается ежемесячно в размере 20 тыс. рублей.

Получателями стали:

1.     Ионин Максим Владимирович.

2.     Мишин Денис Андреевич.

3.     Пахольчук Петр Андреевич.

4.     Помазкин Даниил Андреевич.

5.     Ракитина Мария Александровна.

Стипендии учреждены постановлением Правительства РФ в честь 100-летия со дня рождения Николая Басова — советского ученого, лауреата Нобелевской премии по физике и основоположника квантовой электроники.

https://minobrnauki.gov.ru/press-center/news/novosti-podvedomstvennykh-uchrezhdeniy/76872/

Согласно приказу Министерства науки и высшего образования Российской Федерации утвержден список победителей конкурсного отбора на получение персональных стипендий имени Н.Г. Басова для аспирантов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук в 2023/2024 учебном году.

Главное здание ФИАН на Ленинском проспекте в Москве

Первыми в истории стипендии имени Басова получат:

• Ионин Максим Владимирович

• Мишин Денис Андреевич

• Пахольчук Петр Павлович

• Помазкин Даниил Андреевич

• Ракитина Мария Алексадровна

Напомним, что Президент Российской Федерации Владимир Путин в августе 2022 года издал указ «О праздновании 100-летия со дня рождения Н.Г. Басова» и постановил учредить начиная с 2023 года пять персональных стипендий для аспирантов ФИАН.

Источник: отдел по связям с общественностью ФИАН.

https://new.ras.ru/activities/news/personalnye-stipendii-imeni-n-g-basova-dlya-aspirantov-fian-obyavleny-pervye-v-istorii-laureaty/

https://t.me/rasofficial/8025

Согласно приказу Министерства науки и высшего образования Российской Федерации утвержден список победителей конкурсного отбора на получение персональных стипендий имени Н.Г. Басова для аспирантов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук в 2023/2024 учебном году.

Первыми в истории стипендии имени Басова получат:

    Ионин Максим Владимирович
    Мишин Денис Андреевич
    Пахольчук Петр Павлович
    Помазкин Даниил Андреевич
    Ракитина Мария Алексадровна

Напомним, что Президент Российской Федерации Владимир Путин в августе 2022 года издал указ «О праздновании 100-летия со дня рождения Н.Г. Басова» и постановил учредить начиная с 2023 года пять персональных стипендий для аспирантов ФИАН.

Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН

https://scientificrussia.ru/articles/personalnye-stipendii-imeni-ng-basova-dla-aspirantov-fian-obavleny-pervye-v-istorii-laureaty

Определён механизм повреждения кристаллической решетки алмаза, лежащий в основе технологии нанесения уникальных меток на драгоценные камни с помощью лазера. Такие метки, подобно QR-коду, позволяют опознать каждый отдельный драгоценный камень и избежать подделок, но пока не используются массово. Знание механизма повреждения алмаза позволит доработать устройства для промышленного применения технологии. Результаты исследования поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ) опубликованы в журнале Carbon.

Сегодня нет эффективной системы для отслеживания каждого драгоценного камня в цепочке добычи, продажи и огранки ювелирных изделий. Существующие подходы регистрации природных алмазов основаны на простом фотографировании внешнего вида кристаллов, трехмерном сканировании их формы или записи цифрового кода на пояске бриллиантов. Такие методы не позволяют точно определить драгоценный камень, а также недостаточно надёжны. Альтернативой может служить фотолюминесцентная маркировка в объёме камня с использованием очень коротких лазерных импульсов. В этом случае внутри драгоценного камня лазер меняет атомную структуру примесей, содержащихся в камне — например, азота, — и тем самым создает на атомном уровне микрорисунок в виде QR-кода.

Вид алмаза в ультрафиолетовом свете

Такие записи нельзя рассмотреть невооруженным глазом, а также невозможно удалить, поэтому они используются для индивидуальной маркировки достаточно крупных и дорогих камней. Такие повреждения не влияют на чистоту камня, так как крайне малы. Однако, поскольку каждый драгоценный камень имеет индивидуальную структуру, а также состав и концентрацию примесей, универсальный механизм изменения структуры примесей в кристаллической решётке алмаза пока не известен. Это ограничивает использование технологии в промышленных масштабах.

Запись меток и съёмка спектров комбинационного рассеяния

Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (Москва) определили основные процессы, приводящие к изменению структуры примесей в кристаллической решетке алмаза при нанесении QR-кода. Авторы использовали метод комбинационного рассеяния света, который позволяет изучить взаимодействие света и вещества на атомном уровне, а потому и обнаружить микроскопические дефекты кристаллической решётки внутри алмаза. Для этого образец облучают лазером и анализируют рассеянный свет. Когда свет взаимодействует с веществом, он может изменять свою энергию, испуская или поглощая кванты движения кристаллической решетки — фононы.

Исследователи выяснили, что под действием лазера в кристаллической решетке алмаза возникают колебания атомов кристалла. На уровне элементарной ячейки кристалла последний процесс приводит к искажению и повреждению кристаллической решётки — атом углерода покидает её узел, уходя в междоузлие и оставляя на прежнем месте пустоту (вакансию), то есть дефект. Эти дефекты взаимодействуют с примесными атомами азота, изменяя их структуру и спектр поглощения. При этом возбуждаемые лазером колебания части решёток кристалла одновременно можно использовать для диагностики состояния решётки, например, для определения концентрации дефектов. Таким образом, метод позволяет не только наносить микроповреждения, но и отслеживать их.

Такой механизм микромаркировки характерен не только для алмаза, но и других прозрачных кристаллических сред, например, для кварца, поскольку в этом случае также будет изменяться структура и оптические характеристики атомов в кристаллической решётке. Чёткое понимание основных процессов в лазерных технологиях позволяет расширить возможности и оптимизировать процессы нанесения микрометок.

«Наше исследование показывает, что при микромаркировке один и тот же лазер повреждает кристаллическую решетку алмаза, изменяет структуру его азотных примесных центров и одновременно диагностирует эти процессы с помощью комбинационного рассеяния. Результат работы позволит выбрать оптимальные условия для этого технологического процесса для широкого круга алмазов и других драгоценных камней. В дальнейшем мы планируем провести исследования с другими драгоценными камнями для уточнения механизма повреждения кристаллической решетки», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ,  ведущий научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН доктор физико-математических наук Сергей Кудряшов.

Источник: РНФ.

https://new.ras.ru/activities/news/opredelyen-mekhanizm-povrezhdeniya-kristallicheskoy-reshetki-almaza-pri-nanesenii-unikalnykh-metok-n/

Механизм повреждения кристаллической решетки алмаза, лежащий в основе технологии нанесения подобных QR-коду уникальных меток с помощью лазера, определили учёные ФИАН @lpi_ras.

Существующие методы регистрации природных алмазов недостаточно надёжны. Альтернатива — фотолюминесцентная маркировка с использованием очень коротких лазерных импульсов. Лазер меняет атомную структуру содержащихся в камне примесей (например, азота) и создает внутри камня на атомном уровне микрорисунок.

Исследователи выяснили, что под действием лазера в кристаллической решетке алмаза возникают колебания атомов кристалла — атом углерода покидает узел, уходя в междоузлие оставляя на прежнем месте пустоту. Эти дефекты взаимодействуют с примесными атомами азота, изменяя их структуру и спектр поглощения.

При этом возбуждаемые лазером колебания части решёток кристалла одновременно можно использовать для диагностики состояния решётки, например, для определения концентрации дефектов. Т.о. метод позволяет не только наносить микроповреждения, но и отслеживать их.

Знание механизма повреждения алмаза позволит доработать устройства для промышленного применения технологии.

https://t.me/rasofficial/8023