Національні конкурсі проекти
“Магнітокалоричні та барокалоричні ефекти для систем енергоефективного твердотільного охолодження”
(грант НАН України дослідницьким лабораторіям / групам молодих вчених)
Керівник – к. т. н. Дмитро Велигоцький
Термін виконання – 2025-2026 рр.
№ держреєстрації – 0125U001287
Анотація роботи:
Традиційні холодильні системи переважно покладаються на технологію стиснення газ-рідина, використовуючи такі холодоагенти, як хлорфторвуглець і гідрохлорфторвуглець, які значно шкодять озоновому шару. Хоча деякі холодоагенти, такі як гідрофторвуглеці, не руйнують озоновий шар, вони все одно сприяють парниковому ефекту, посилюючи зміну клімату. Крім того, ці звичайні холодильні системи страждають від таких проблем, як надмірний рівень шуму та високе споживання енергії. Лише охолодження споживає понад 17% світової електроенергії, і ця цифра, як очікується, збільшуватиметься з економічним зростанням. У відповідь дослідники у всьому світі активно досліджують альтернативні матеріали та технології охолодження. Одним із найперспективніших рішень є технології твердотільного холоду, що базуються на таких механізмах, як магнітокалоричний ефект, еластокалоричний ефект та барокалоричний ефект, які були запропоновані як альтернативи через їх екологічну природу. Окрім холодильних систем для збереження продуктів харчування та кондиціонерів, одним із багатообіцяючих напрямків застосування твердотільного охолодження є антенні та радіолокаційні системи, комп’ютерні сервери та електроніка, які генерують значну кількість тепла.
Запропонована робота поєднує два різні напрямки дослідження. Перший – фундаментальне дослідження гігантського магнітокалоричного та барокалоричного ефектів в сплавах з магнітоструктурними і магнітоеластичними фазовими перетвореннями в рамках термодинамічного підходу та методів машинного навчання, що дозволить розробити модель для вибору матеріалів з гігантським магнітокалоричним та барокалоричним ефектами. Другий напрямок буде стосуватись прикладної реалізації установки для дослідження магнітокалоричного та барокалоричного ефектів із застосуванням одночасного впливу магнітного поля та гідростатичного тиску на твердотільний холодоагент з мультикалоричним ефектом. Поєднання даних підходів дозволить проєктувати високоефективні матеріали з гігантським магнітокалоричним та барокалоричним ефектами для подальшого виготовлення таких матеріалів. А створена установка для дослідження магнітокалоричного та барокалоричного ефектів для систем твердотільного охолодження буде сприяти подальшій реалізації створення в Україні ефективної системи охолодження для різноманітної техніки.
Відомчі науково-дослідні роботи
"Фізичні принципи небулевих обчислень у магнонних наноелементах"
(фундаментальна НДР НАН України, до 2025р. - МОН України)
Керівник – д. ф.-м. н. Роман Верба
Термін виконання – 2024-2026 рр.
№ держреєстрації – 0124U000270
Анотація роботи:
Алгоритми штучного інтелекту та інші небулеві підходи до обробки даних активно впроваджуються в нашу практику показуючи кардинальні переваги щодо певних класів задач. Реалізація цих алгоритмів на основі класичної двійкової КМОН логіки є шляхом, неймовірно далеким від оптимального, що спонукає дослідження та створення апаратних систем небулевих обчислень, в яких небулеві принципи зразу закладені в архітектуру та функції окремих елементів. Магнітні та зокрема магнонні (спін-хвильові) системи є чудовим кандидатом для створення таких апаратних небулевих систем завдяки великому різноманіттю нелінійних ефектів та, що не менш важливо, можливостям керування нелінійностями.
Метою проекту є теоретичне та експериментальне дослідження нелінійної спін-хвильової взаємодії біжучих спінових хвиль з різними типами локалізованої накачки та стохастичної спін-хвильової динаміки у магнітних наноструктурах та системах на їх основі та формулювання на основі вивчених закономірностей принципів створення елементів магнонних систем небулевих (ймовірнісних та нейроморфоних) обчислень. Головною особливістю є використання біжучих спінових хвиль, що дозволить уникнути необхідності енергозатратних перетворень при подальшому об'єднанні елементів в інтегровані системи і вигідно вирізняє досліджувані системи з-поміж аналогів, що розробляються на сьогодні.
“Ефекти магнітопружності та індуковані магнітним полем критичні деформації магнітоактивних еластомерів”
(фундаментальна НДР НАН України, до 2025р. - МОН України)
Керівник – проф. Юрій Джежеря
Термін виконання – 2024-2026 рр.
№ держреєстрації – 0124U000455
Анотація роботи:
Магнітоактивні еластомери (МАЕ) відносяться до класу «розумних матеріалів» (smart materials), які є композитами з наповнювачем магнітними мікро- або наночастинками та матрицею з еластомеру. Завдяки високій еластичності матриці МАЕ здатні пружно деформуватися на десятки відсотків, вони мають велику (аномальну) магнітострикцію, cпостережувану в невеликих магнітних полях, що передбачає широкі перспективи використання МАЕ в якості матеріалів для робототехніки, орігамі, для актуаторів, сенсорів та медичних застосувань. В більшості застосувань МАЕ пропонується використовувати їх деформацію вигину та деформацію кручення. Як і в класичних магнетиках, в МАЕ вище температури магнітного впорядкування має спостерігатися зникнення стрикції зразка. Неаналітичність поведінки пружних властивостей матриці МАЕ в околі температур її фазових перетворень (склування чи плавлення/твердіння матриці) також призводить до критичної зміни магнітних та магнітопружних властивостей МАЕ. Ми отримуємо, що на відміну від критичних ефектів, пов’язаних із фазовими перетвореннями, індукована магнітним полем стрикція МАЕ та його намагнічування можуть бути взаємопов’язаними одне з одним, відбуватися критично зі зміною симетрії магнітного стану зразка та спонтанною зміною симетрії його форми. Особливою має бути і деформація кручення МАЕ в магнітному полі, від якої також очікується критична поведінка. Ми покажемо, що магнітне поле здатне стабілізувати зразок МАЕ з торсійною деформацією та сформувати квазістабільний кінк-подібний торсійно-деформований стан МАЕ. Проєктом передбачено синтезування багатофункціонального магнітного наповнювача МАЕ з низкою фазових перетворень в околі кімнатної температуру, вирощення та підготовка зразків МАЕ. Будуть розроблені методики досліджень магнітострикції МАЕ, проведені спостереження критичних ефектів деформування МАЕ при їх намагнічуванні, результати яких планується проаналізувати з використанням теорії пружності та за допомогою моделювання в рамках варіаційного підходу.
"Резонансна взаємодія та підсилення магнітокалоричних, магнітоелектричних та магнітоакустичних ефектів у композитних матеріалах та структурах п’єзоелектрик-магнетик"
(фундаментальна НДР НАН України, до 2025р. - МОН України)
Керівник – проф. Віктор Львов
Термін виконання – 2024-2026 рр.
№ держреєстрації – 0124U000392
Анотація роботи:
Композитні матеріали та структури, зокрема типу п’єзоелектрик-магнетик, привертають значну увагу дослідників, адже дозволяють реалізувати нові фізичні процеси та/або отримати характеристики, які недосяжні для природних матеріалів. Метою проекту є встановленні фізичних закономірностей резонансної лінійної та нелінійної взаємодії між магнітною та пружною підсистемами (магнон-фононна взаємодія) у композитних магнітопружних матеріалах та гетероструктурах, та розробка методів підсилення магнітокалоричних, магнітоелектричних, а також невзаємних і нелінійних магнітоакустичних ефектів у них. Основний акцент проекту зроблений на явище резонансного підсилення вказаних ефектів. У проекті заплановано як пошук шляхів підсилення відомих ефектів (магнітокалиичного ефекту та магнітоакустичної невзаємості), так і пошук чи/та пояснення принципово нових явищ, зокрема, резонансного магнітоелектричного ефекту у композиті п’єзополімер-магнетик та можливого піроелектричного ефекту у ньому. Результати проекту стануть важливим кроком на шляху розробки та впровадження ефективних пристроїв твердотільних систем охолодження, перетворювачів інфрачервоного випромінювання та пристроїв твердотільної акустоелектроніки суб-ГГц та НВЧ діапазону.
"Вплив магнітного поля та лазерного випромінювання на міжфракційну перебудову молекул гемоглобіну"
(фундаментальна НДР НАН України, до 2025р. - МОН України)
Керівник – к. ф.-м. н. Сергій Мамілов
Термін виконання – 2024-2026 рр.
№ держреєстрації – 0124U000326
Анотація роботи:
Мета роботи полягає в дослідженні динаміки процесів трансформації форм гемоглобіну в периферійних тканинах під поєднаним впливом зовнішнього лазерного опромінювання і магнітного поля та встановленні конфігурації та параметрів магнітного поля, що дозволять керувати між фракційними переходами молекул гемоглобіну. Задачами проєкту є: (і) дослідження впливу магнітного поля на процеси лазерно-стимульованої фотодисоціації лігандів О та СО з молекули гемоглобіну; (іі) визначення довжин хвиль зовнішнього опромінювання на яких магнітне поле найбільш ефективно впливає на процеси лазерно-стимульованої фотодисоціації окси та карбоксигемоглобіну; (ііі) визначення найбільш оптимальних характеристик магнітного поля для можливого керування процесами між фракційних переходів в молекулах гемоглобіну.
"Малопотужні термоелектричні та магнітопружні перетворювачі для енергогенерації та охолоджувальних систем"
(прикладна НДР НАН України, до 2025р. - МОН України).
Керівник – д. ф.-м. н. Сергій Коноплюк
Термін виконання – 2024-2026 рр.
№ держреєстрації – 0124U000558
Анотація роботи:
Проєкт спрямований на розробку термоелектричних елементів для малопотужних систем живлення та магнітоеластичних перетворювачів для систем охолодження і магнітних сенсорів. Термоелектричні елементи становлять основу технології термоелектричної генерації, яка використовує відпрацьоване тепло для створення необхідної різниці температур і є частиною відновлювальної енергетики. Пропонується використовувати модулі на базі цих елементів, як автономні джерела живлення для портативних електронних пристроїв у віддалених місцях без доступу до електромереж, для моніторингу параметрів життєдіяльності в медицині, для автономних систем спостереження у військовій галузі. Будуть розроблені два типи елементів, звичайний на основі ефекту Нернста з використанням топологічних сплавів Гейслера та гібридний на основі ефектів Зеєбека та Холла. Також будуть створені та протестовані магнітопружні перетворювачі - композитні структури з надпружного та магнітострикційного матеріалів, які перетворюватимуть енергію магнітного поля в теплову та електричну. Ефективність таких перетворювачів для охолодження значно перевищуватиме ефективність існуючих магніто- та еластокалоричних систем завдяки більш ніж десятикратному зниженню величини магнітних полів та простішому механізму актуації.
"Кінетичні, термодинамічні та магнітодинамічні ефекти в багаточастинкових, квантових і мезоскопічних системах"
(фундаментальна НДР НАН України)
Керівники – чл.-кор. НАН України Борис Іванов, проф. Віктор Лось
Термін виконання – 2022-2026 рр.
№ держреєстрації – 0122U001845
Анотація роботи:
Метою даної роботи є розвиток математичних методів аналізу різних режимів нелінійної динаміки антиферомагнітних та текстурованих структур спінтроніки та магноніки, виведення повністю замкнених еволюційних рівнянь, що описують кінетику статистичного оператора, для довільної системи квантових частинок, отримання розв’язку часових рівнянь для хвильового рівняння та рівняння Клейна-Гордона, а також проведення строгого розгляду процесу тунелювання із потенціальної ями.
"Магнітна динаміка композитних наноструктур з антиферомагнітним зв'язком"
(фундаментальна НДР НАН України)
Керівники – чл.-кор. НАН України Олександр Товстолиткін, д. ф-м. н. Володимир Голуб
Термін виконання – 2022-2026 рр.
№ держреєстрації – 0122U001885
Анотація роботи:
Проект спрямований на експериментальне та теоретичне дослідження магнітних властивостей наноструктурованих штучних матеріалів. Планується досліджувати питання, які можуть максимально вплинути на розвиток технології і сприяти прогресу в створенні нових поколінь магнітних приладів наноелектроніки - пристроїв НВЧ, надшвидкого запису, зчитування і обробки інформації, сенсорів, елементів спінтроніки та магнонних кристалів. В рамках даного проекту планується вивчити магнітні властивості та спінову динаміку в штучно створених магнітних наносистемах (тонких плівках складних гетерогенних магнетиків, багатошарових структурах, масивах магнітних наноелементів, тощо). Зокрема, значна увага буде приділятись системам з антиферомагнітним обміном (природним та синтетичним фери- та антиферомагнетикам), що є потрібним для створення сучасної електроніки субтерагерцового діапазону.
Об’єктами дослідження будуть як класичні фери- та антиферомагнетики, так і багатошарові магнітні наноструктури наприклад, що містять антиферомагнітні (типу FeMn) і слабко антиферомагнітні (AlFeMn) прошарки різної товщини, сплави Гейслера, тощо. Основна увага буде приділятись магнітній динаміці, яка визначає швидкість обробки інформації в таких системах, в тому числі процесам перемагнічування під дією електромагнітного та лазерного випромінювання, процесам генерації спінових хвиль і спін-залежному транспорту.
Загальний план досліджень включає виготовлення і дослідження багатошарових наноструктур, у яких композитний спейсер містить антиферомагнітний (FeMn) і слабко антиферомагнітний (AlFeMn) шари різної товщини. Наноструктури будуть виготовлені методом магнетронного розпорошення. Для дослідження кристалографічних та морфологічних характеристик розроблених матеріалів будуть використані рентгенівська дифракція, просвітлювальна електронна мікроскопія та атомна силова мікроскопія. Магнітні властивості будуть досліджуватися з використанням вібраційної магнітометрії. Резонансні властивості будуть вивчатися з застосуванням спектрометра ELEXSYSE500. У проекті буде реалізовано комплексний (як теоретичний, так і експериментальний) підхід щодо прогнозування та дослідження магнітної динаміки композитних систем з антиферомагнітним зв’язком.
Отримані результати дозволять розробити фізичні принципи створення наноматеріалів з вдосконаленими та керованими магнітними параметрами, перспективними для застосування в техніці та медицині.
"Фізичні основи створення матеріалів з керованими магнітоструктурними та термодинамічними характеристиками"
(фундаментальна НДР НАН України)
Керівники – д. ф.-м. н. Микола Крупа, д. ф.-м. н. Анна Косогор
Термін виконання – 2022-2026 рр.
№ держреєстрації – 0122U001886
Анотація роботи:
Основним напрямом даної НДР є теоретичні та експериментальні дослідження електричних, магнітних і магнітопружних характеристик композитних наноструктурованих і наноплівкових магнітних матеріалів. В рамках проекту планується вивчити основні фізичні механізми, які впливають на магнітоструктурні, термодинамічні і електротранспортні і магнітооптичні характеристики композитних магнітних сплавів Гейслера, полікристалічних магнітних матеріалів з підвищеним ступенем спінової поляризації і характеристики рідких кристалів легованих магнітними наночастиками, а також провести пошук пошук ефективних методів впливу зміну таких характеристик досліджуваних матеріалів.
Однією з основних ідей роботи проекту є те, що в області фазових чи магнітоструктурних переходів характеристик таких композитних магнітних матеріалів повинні змінюватись, Дослідження таких змін дозволить встановити основні закономірності фазових переходів в композитних магнітних сплавах і в рідких кристаліах з магнітними наночастинками і підготувати рекомендації для практичного використання цих матеріалів в елементах магнітних матеріалів спінтроніки і магнітоелектроніки. Це дозволяє очікувати що результати даної можуть вплинути на розвиток технології отримання нових магнітних матеріалів для магнітоелектроніки і спінтроніки.
"Гібридні наноструктури на основі феромагнетиків, антиферомагнетиків і надпровідників з керованою обмінною взаємодією для новітньої спінтроніки і магноніки"
(фундаментальна НДР НАН України)
Керівники – проф. Юрій Джежеря, д. ф.-м. н. Анатолій Кравець
Термін виконання – 2024-2028 рр.
№ держреєстрації – 0123U104827
Анотація роботи:
Проект спрямований на з’ясування фізичної картини процесів в багатошарових наноструктурах на основі феромагнетиків, антиферомагнетиків і надпровідників за рахунок взаємодії їх надпровідних та магнітних складових з урахуванням характеру елементарних збуджень, ефекту близькості, тощо, та встановлення механізмів керування магнітними, електричними та динамічними властивостями таких систем для створення елементної бази новітньої надпровідної спінтроніки та магноніки. Буде вивчено вплив спінової інжекції на надпровідний стан, а також особливостей надпровідного стану на магнітостатичні, магнітодинамічні, електротранспортні та магнітотранспортні характеристики гібридних наноструктур. Будуть побудовані масиви магнітних наноелементів (нанодотів синтетичних антиферомагнетиків, наносмуг) на основі розроблених багатошарових наноструктур з надпровідним та температурно залежним перемиканням характеру міжшарового та міжчастинкового обмінних взаємодій да досліджені їх магнітодинамічні властивості. Будуть визначені оптимальні параметри гібридної системи для побудови прототипів спінтронних та магнонних пристроїв (комірок пам’яті, спінових вентилів, осциляторів, перемикачів, тощо) з надпровідним фазовим переходом та перемиканням характеру міжшарових обмінних взаємодій.
"Гібридні наноструктури на основі феромагнетиків, антиферомагнетиків і надпровідників з керованою обмінною взаємодією для новітньої спінтроніки і магноніки"
(фундаментальна НДР НАН України)
Керівник – к. ф.-м. н. Володимир Соколов
Термін виконання – 2025-2028 рр.
№ держреєстрації – ?????????????
Анотація роботи:
Метою роботи є вивчення нелінійних оптичних властивостей органічних середовищ рослинного та тваринного походження, а також зумовлених ними ефектів розповсюдження лазерного випромінювання. Нелінійні відгуки показника заломлення, коефіцієнта поглинання, квантового виходу флуоресценції та інших характеристик містять інформацію про процеси структурної модифікації (дифузійне і осмотичне переміщення рідини, зсув рівноваги в обміні лігандами та ін.). Така інформація являє собою не тільки науковий інтерес, але й вже застосовується, зокрема, при розробці нових методів лікування захворювань.
Передбачається дослідити три типи середовищ, в яких переважають різні механізми нелінійного відгуку. Першим типом є середовища із значним вмістом рослинних пігментів, які створюють сильний відгук завдяки великій сприйнятливості 3-го порядку. Другим типом є середовища із значним вмістом комплексних сполук, які створюють нелінійний відгук завдяки зсуву рівноваги в реакціях лігандообміну. Третім типом є середовища з глобулярними біомолекулами, які відгукуються на опромінення зміною своїх геометричних характеристик.
Дослідження оптичних властивостей природних середовищ потребує усунення руйнівного впливу лінійного розсіяння та поглинання, які не дозволяють досягати задовільного співвідношення сигнал/шум традиційними методами вимірювання. Тому одним із завдань роботи буде створення нових методів, які дозволять реєструвати нелінійні відгуки при мінімальному (кілька процентів) коефіцієнті прямого пропускання дослідного зразка.
"Міжфракційні перебудови молекул гемоглобіну під спільним впливом магнітного поля та лазерного випромінювання"
(прикладна НДР НАН України)
Керівник – к. ф.-м. н. Сергій Мамілов
Термін виконання – 2024-2026 рр.
№ держреєстрації – 0123U104618
Анотація роботи:
Мета роботи полягає в дослідженні динаміки процесів трансформації форм гемоглобіну в периферійних тканинах під поєднаним впливом зовнішнього лазерного опромінювання і магнітного поля та встановленні конфігурації та параметрів магнітного поля, що дозволять керувати між фракційними переходами молекул гемоглобіну.
В ході виконання проєкту буде з’ясовано спектральні властивості, специфічні ефекти та кінетика взаємодії випромінювання світла різного хвильового діапазону з комплексами гемоглобіну за умови впливу зовнішнього магнітного поля різної конфігурації. Буде досліджено міжфракційні зміни молекул гемоглобіну в потоках крові; умови та динаміку редукції комплексів гемоглобіну з лігандами під дією лазерного випромінювання, отримання збудженого синглетного кисню, відновлення кисеньтранспортної функції крові. Результати проекту дозволять розширити знання про механізми взаємодії низькоінтенсивного лазерного випромінювання різного діапазону з біологічними тканинами і, зокрема з кров’ю; можуть бути застосовані при розробці методів низькоінтенсивної лазеротерпії, в медичній практиці при прогнозуванні, оптимізації та індивідуалізації дози лазерного опромінювання, уточнення механізмів та вдосконаленню методів фотодинамічної терапії злоякісних пухлин.
Основна наукова проблема вирішенню якої присвячено проєкт це контроль трансформації форм гемоглобіну в периферійних тканинах під спільним впливом зовнішнього лазерного опромінювання та магнітного поля. Перехід оксигемоглобін – дезоксигемоглобин вивільняє кисень, що є дієвим засобом боротьби з анаеробними інфекціями, зокрема, в зоні опікових та раневих ушкоджень, а перехід карбоксигемоглобін – дезоксигемоглобин створює передумови детоксикації організму при отруєнні чадним газом. Таким чином керування трансформацією гемоглобінів відкриває можливість розробки нових медичних технологій.
На сьогоднішній день дослідження динаміки збудження та міжфракційної перебудови молекул гемоглобіну при опромінені лазерним випромінюванням були сконцентровано на in vitro зразках. Природно очікувати, що ефекти у нативних умовах іn vіvo будуть відрізнятися від результатів досліджень фотодисоціації комплексів гемоглобіну, отриманих у буферних розчинах, з огляду на інше біологічне середовище та особливості поширення світла в тканині.