Наука/2023

Основные результаты научной деятельности за 2023 г. по КИИСиФЭ

1. Предложена методика электрохимического анодирования во фторсодержащем водном электролите для формирования на поверхности пористых порошковых материалов из губчатого титана (ППМ ГТ) устойчивых нанопористых оксидных покрытий для применения в качестве биоактивного покрытия имплантатов. Кроме того, микронаноструктурированную матрицу TiO₂, сформированную на поверхности микрочастиц ППМ ГТ, весьма перспективно использовать для создания функциональных нанокомпозитных покрытий путем осаждения в нанопоры/нанотрубки/микроконусы металлических (Fe, Cu, Ni, Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Co и др.) и оксидных (SiO₂, TiO₂, NiO, RuO₂, IrO₂, MnO₂ и др.) наночастиц. При этом в зависимости от вида модификатора можно получать покрытия с высокими каталитическими и магнитными свойствами, селективной поглощающей способностью, термо- и химической стойкостью, заметной антибактериальной активностью (И. Н. Дмитриев, доц. А. Н. Кокатев, доц. К. В. Степанова, А. М. Шульга, проф. Н. М. Яковлева).
2. Разработана методика получения нанонитей из смеси фаз оксидов ванадия, основанная на двухэтапном отжиге. Первый этап отжига необходим для удаления воды и полимера, используемого в процессе синтеза. Второй — для кристаллизации нанонитей. Смесь фаз достигается за счёт использования восстановителя (щавелевой кислоты) во время второго этапа отжига, производимого в атмосфере инертного газа. За счёт изменения количества щавелевой кислоты (молярного соотношения между щавелевой кислотой и нанонитями пентаоксида ванадия) возможно регулирование фазового состава нанонитей. В синтезированных нанонитях преобладают оксиды ванадия: VO₂, V₂O₅, V₄O₉, V₆O₁₃. Молярное соотношение при отжиге влияет на их процентное соотношение (доц. О. Я. Березина, Д. Н. Ларионов, Н. А. Праслов, А. С. Шарлаев).
3. В рамках исследования формирования нанокомпозитных покрытий на металлах и сплавах с самоорганизованными нанопористыми/нанотрубчатыми анодно-оксидными матрицами:

   • Проведена модификация различных типов пористых анодных оксидов алюминия (ПАОА) наночастицами Ag с применением методики фотохимического синтеза и электрохимического окрашивания (ЭХО). Методами АСМ и СЭМ показано, что применение методики фотохимического синтеза приводит к образованию отдельных наночастиц, предположительно Ag, которые имеют размер от 40 до 70 нм. Уширение пор и утонение барьерного слоя приводят к частичному удалению дефектного слоя и уменьшению толщины барьерного слоя ПАОА, сформированных в 3 % C₂H₂O₄, что в процессе ЭХО приводит к более интенсивному и однородному окрашиванию образцов в черный цвет. Разработанные методики формирования ПАОА на алюминиевой проволоке и их последующей ЭХО модификации позволяют получать серебросодержащие нанокомпозитные покрытия характеризующиеся диаметром открытых пор (11±2) нм для 15 % H₂SO₄ и (33±4) нм для 3 % C₂H₂O₄. Диаметр наночастиц серебра в межпоровом пространстве ПАОА составляет от 15 до 35 нм.
   • Изучение функциональных свойств ПАОА до и после модификации наночастицами Ag позволило установить, что одноступенчатое анодирование алюминиевой проволоки в 15 % H₂SO₄ и 3 % C₂H₂O₄ при выбранных параметрах процесса с последующей ЭХО модификацией ПАОА наночастицами Ag приводит к получению нанокомпозитных анодно-оксидных покрытий с высокой коррозионной стойкостью, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 9.031-74. Созданные серебросодержащие нанокомпозитные материалы на основе ПАОА обладают высокой антимикробной активностью и могут использоваться в качестве материалов для очистки воды от патогенных микроорганизмов с эффективностью от 90 % до 100 %, а также защитных антимикробных поверхностей на различных алюминиевых изделиях.
   • Разработана технология, содержащая оптимальные параметры анодирования и модификации ПАОА, позволяющая получать методом ЭХО серебросодержащие нанокомпозитные покрытия на основе ПАОА, сформированных в различных электролитах.

   (Доц. А. Н. Кокатев).
4. Проведены работы по интеграции рентгенофлуоресцентного анализатора ElvaX Prospectorв комплекс по автоматизации геохимических исследований GeRDA (доц. А. П. Мощевикин, П. Н. Середов, доц. А. В. Соловьев).
5. Разработан конфигуратор для модуля экстренного вызова системы ЭРА-ГЛОНАСС для применения в интеллектуальных судовых терминалах «Навигатор-АМ» (Д. А. Кириенко, доц. А. П. Мощевикин, доц. А. В. Соловьев).
6. Курирование и участие в разработке проектов: «Модернизация системы независимой внутренней системы оценки качества образования вуза в соответствии с современными требованиями к качеству результатов обучения и уровню сформированности компетенций обучающихся в ходе освоения основной образовательной программы высшего образования по направлениям подготовки, обеспечивающая надежную и интегративную (комплексную) оценку результатов обучения всеми участниками образовательного процесса», «Сетевая университетская инженерная и естественнонаучная школа „Хочу учиться в ПетрГУ“» (доц. Н. Ю. Ершова).

Основные результаты научной деятельности за 2023 г. по КЭиЭ

1. На основе LogNNet был предложен и развит алгоритм расчета энтропии временной серии NNetEn (энтропия нейронной сети), создана реализация алгоритма на языке Python и зарегистрирован РИД. Предложена новая мера энтропии NNetEn и создана библиотека на языке Python для ее расчёта. Принцип расчёта основан на базе резервуарной сети LogNNet, и включает 11 основных этапов. Значение энтропии эквивалентно одной из метрик классификации стандартной базы MNIST-10: точность классификации, R2 Efficiency и Pearson Efficiency. В случае упорядоченного ряда классификация MNIST-10 низкая, и наоборот хаотический ряд приводит к повышенным метрикам классификации. Для увеличения скорости вычислений в качестве входных данных предложено также использовать базу с меньшим размером SARS-CoV-2-RBV1. Результаты показывают, что NNetEn является эффективным признаком временных рядов. В качестве практического применения проиллюстрирована классификация электроэнцефалографических (ЭЭГ) сигналов больных болезнью Альцгеймера (36 человек) и контрольной группы (29 здоровых людей). Для классификации использовался алгоритм SVM. По некоторым ЭЭГ каналам NNetEn входит в число лидеров по функциональности, а на 11 канале он показывает лучшие результаты. Продемонстрирован синергетический эффект повышения точности классификации при совместном применении традиционных мер энтропии и NNetEn (доц. А. А. Величко, Ю. А. Изотов).
2. Разработана модель машинного обучения, позволяющая диагностировать болезнь Паркинсона с высокой точностью неинвазивными методами на основе анализа короткой (не более 8 секунд) записи ЭЭГ. Представленная модель была обучена на базе данных, содержащей результаты ЭЭГ-диагностики 20 больных и 20 здоровых испытуемых. Данные для обучения были получены с помощью 14-канальной беспроводного измерительной системы Emotiv EPOC при частоте дискретизации сигнала 128 кГц. На основе вычисленных энтропийных признаков модель определяет наличие или отсутствие диагноза болезни Паркинсона у пациента. Оптимизированная модель с небольшим количеством признаков может быть использована в низкопроизводительных устройствах, и поэтому может быть применима для в составе интеллектуального окружения с системах Интернета вещей (М. А. Беляев, доц. А. А. Величко, Д. Ж. Корзун).
3. Представлена биоинспирированная модель датчика хаоса для аппроксимации энтропии последовательности импульсов в нейродинамических системах на основе оценки нерегулярности временных серий с помощью персептрона. Впервые применен подход аппроксимации энтропии временного ряда с помощью машинного обучения. Результаты работы использованы при регистрации импульсов потенциала действия из дорсального корешка L5 крысы, где показано что сенсор хаоса регистрирует различный тип спайковой активности в режимах стимуляции и покоя корешка (экспериментальные данные были взяты из открытых источников). Таким образом, нерегулярность спайковых сигналов нейродинамической системы может быть аппроксимирована персептронной моделью. Показана возможность существования нейроных ансамблей (в виде модели персептрона), которые способны оценивать хаос спайкового сигнала, минуя сложные формулы энтропии, расчет которых по понятным причинам не возможен в реальных биосистемах. Результаты могут быть востребованы специалистами в области вычислительной нейробиологии, а также для создания роботов-гуманоидов и животных, биороботов с ограниченными ресурсами (М. А. Беляев, П. П. Борисков, доц. А. А. Величко, доц. В. В. Путролайнен).
4. Предложен комплексный подход к определению эффективности применения легированных кристаллов ниобата лития в нелинейной оптике. Полученный результат может быть использован при выборе условий выращивания кристаллов ниобата лития с высокими значениями нелинейно-оптических коэффициентов (А. В. Кадетова, доц. А. И. Прусский, доц. О. В. Токко).
5. Установлена возможность применения легированных церием с высокой концентрацией кристаллов ниобата лития в качестве температурно-независимого акустоэлектронного материала, свободного от пироэлектрических эффектов (А. В. Кадетова, С. В. Петрова, доц. О. В. Токко).
6. Разработана методика определения основных возможные вкладов каждого РЗЭ в общий спектр фотолюминесценции легированных керамик ниобата-танталата гадолиния и иттрия. Полученный результат может быть использован при выборе условии синтеза керамик ниобата-танталата гадолиния и иттрия с максимальной люминесценцией в необходимой области спектра (А. В. Кадетова, М. В. Смирнов, доц. О. В. Токко).
7. Выполнено структурное исследование порошковой лигноцеллюлозы, содержащей серебро, методом компьютерного моделирования атомной структуры (доц. А. И. Прусский, доц. О. В. Токко).
8. Предложена модель структуры термически модифицированного шунгитового углерода, который может быть использован в качестве контейнера для получения и длительного удержания наноразмерных частиц. Характеризация таких наночастиц проводится по присущей им фотолюминесцентной активности. Поскольку наноразмерные частицы углерода не вступают в химическое взаимодействие с шунгитовой матрицей при нормальных условиях, их люминесцентные свойства сохраняются длительное время. Описание многоуровневой структуры шунгитового углерода моделью хаотически ориентированных агломераций турбостратных стопок графеновых листов подтверждено данными рентгенографического эксперимента (доц. С. В. Логинова).
9. Изучены оптические свойства композитных материалов, состоящих из углеродных наночастиц, импрегнированных в пористый кремний. Показано, что синтезированные углеродные наночастицы обладают собственной фотолюминесценцией в видимой области спектра, взаимовлияние между углеродными наночастицами и пористым кремнием изменяет вид спектров и увеличивает деградационную стойкость фотолюминесценции пористого кремния (доц. С. В. Логинова).
10. Разработаны теоретические основы и проведено обоснование работы устройства определения места повреждения в электрических сетях с изолированной нейтралью на переходных процессах при возникновении однофазного замыкания. Получены экспериментальные данные о распространении электромагнитной волны при пробое высоковольтных изоляторов (доц. А. А. Тихомиров).
11. Разработан проект промышленной автоматизации насосной станции, адаптированный для насосной станции водоснабжения в посёлке Уя (вблизи г. Петрозаводска). Показана эффективность применения частотного управления насосами, что позволило значительно сократить затраты предприятия на электроэнергию. Применение SCADA-системы позволило снизить затраты на человеко-ресурсы, увеличить оперативность контроля, управления и обеспечить своевременность планово-предупредительных ремонтов. Более того, комплексное применение автоматизации всего предприятия позволяет продлить срок службы оборудования, что снижает амортизационные затраты предприятия (доц. А. С. Шелестов).