• Применение информационных технологий для передачи, обработки, хранения и защиты информации

  Руководитель направления Колесов Владимир Владимирович вед. науч. сотр., действительный член Российской академии естественных наук эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-33-68

  
  

   
  Разрабатываются и исследуются информационные технологии на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации.
  На основе нелинейных систем с хаотической динамикой разрабатываются конечномерные порождающие математические алгоритмы для синтеза хаотических кодирующих сигналов с повышенной структурной сложностью. Численными методами анализируется влияние основных параметров порождающего хаотического алгоритма с запаздыванием на статистические, корреляционные, структурные и фрактальные характеристики непериодических псевдослучайных целочисленных и бинарных последовательностей, формируемых алгоритмом. Моделирование проводится с использованием среды программирования Matlab.
  Разработанные технологии могут быть применены в широкополосных системах передачи информации, в которых используются сложные сигналы с большой базой, построенные на основе систем с хаотической динамикой. Показано, что цифровые системы передачи информации на основе технологии хаотического расширения спектра и динамической сменой хаотических кодов обладает высокой помехозащищенностью, скрытностью, электромагнитной совместимостью и обеспечивает надежную и конфиденциальную передачу сообщений в условиях сложной электромагнитной обстановки и активных помех.
  

  
  Результаты измерения отношения сигнал/помеха (Sс/Sп) в дБ на выходе широкополосного приемного устройства в зависимости от соотношения уровней помехи и информационного сигнала на входе приемника (Sп/Sс) для двух видов помехи: узкополосной 1 и широкополосной 2.

   
  На основе разработанных информационных технологий реализованы схемы для маскировки, защиты, хранения, обработки и передачи информации.

• Разработка биотопливных элементов и молекулярных биосенсоров на основе биохимических реакций и электродов с наноуглеродными покрытиями

  Руководитель направления Колесов Владимир Владимирович вед. науч. сотр., действительный член Российской академии естественных наук эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-33-68

  
  

   
  Исследуются новые направления, связанные с созданием альтернативных источников энергии, на основе биотопливных элементов- устройств, основанных на биологическом материале и производящих в биохимической реакции прямую генерацию электрической энергии при окислении субстратов. Исследовано функционирование микробного биотопливного элемента, окисляющего этанол и глюкозу. Биоэлектрокатализатором являлись интактные клетки бактерий Gluconobacter oxydans и их мембранные фракции. Рассмотрено применение наноуглеродных материалов при создании электродов биотопливных элементов. Экспериментально исследована ячейка биотопливного элемента на основе терморасширенного графита. Рассмотрены особенности использования графена как основы электродов в биотопливных элементах при формировании электродов.
  Биохимические каталитические реакции активно используются в различных биосенсорах. Все биосенсоры содержат два основных функциональных блока: биоселективный элемент, использующий различные биологические структуры, и физический преобразователь, трансформирующий концентрационную зависимость в электронный сигнал. Современные нанотехнологии позволяют разрабатывать биосенсоры на основе единичной молекулы белка-фермента.
  

  
  Биосенсор на основе молекулы фермента глюкозооксидазы, встроенного в зазор между золотыми наноэлектродами.

   
  Исследуются структурные и электрофизические свойства новых нанокомпозитных материалов, таких как терморасширенный графит, пористая никелевая пена, полимерные композиты PEDOT:PSS/графен/нафион для применения их в качестве покрытий электродов соответствующих биотопливных элементов и биосенсоров.
  Используется сканирующая электронная микроскопия, рамановская спектроскопия, электронная литография, атомно-силовая микроскопия.

• Разработка и создание малогабаритных энергоемких автономных источников питания долговременного действия на основе нестабильных источников энергии и суперконденсаторов

  Руководитель направления Колесов Владимир Владимирович вед. науч. сотр., действительный член Российской академии естественных наук эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-33-68

  
  

   
  Разрабатываются и исследуются автономные системы с накоплением энергии для микромощных электронных устройств, которые могут непрерывно преобразовывать в электричество и накапливать различные типы избыточной энергии технологических и природных процессов из окружающей среды: механическую, химическую, биологическую, солнечную, радиочастотную, акустическую, тепловую, радиационную.
  Одной из наиболее актуальных проблем в современной науке и промышленности является проблема накопления энергии. Суть проблемы заключается в необходимости обеспечения максимальной удельной мощности энергонакопителя при максимальном удельном запасе энергии. Наиболее перспективными энергонакопителями являются суперконденсаторы (ионисторы), обладающие оптимальным для практического применения
  соотношением «плотность энергии- плотность мощности- время зарядки/разрядки»: они могут быть полностью заряжены или разряжены за несколько секунд. Наращивание емкости суперконденсаторов в первую очередь связано с использованием материалов с очень развитой поверхностью с высокой удельной площадью. Для чего широко используются наноуглеродные материалы. Достаточно перспективным материалом для этих целей является графен и графеноподобные материалы типа терморасширенного графита.

  
  Микрофотография структуры терморасширенного графита на различных масштабах.

   
  Сравнительные исследования электродов суперконденсатора на основе наноуглеродных материалов с высокой удельной поверхностью показали, что на них можно реализовать удельные емкости порядка 200 Ф/г, что является вполне приемлемой величиной для прикладных применений.

• Экспериментальное исследование физических характеристик новых нанокомпозитных материалов на основе полимерных материалов с внедренными наночастицами металлов и их оксидов и влияния на них внешних магнитных и электрических полей

  Руководитель направления Фионов Александр Сергеевич ст. науч. сотр., к.т.н. эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-33-68

  
  

   
  Разрабатываются методы получения новых структурированных композитных материалов и радиометаматериалов с управляемыми свойствами для телекоммуникационной аппаратуры и информационных технологий. Проводится анализ электрофизических свойств нанокомпозитных материалов в широком диапазоне частот, исследуются коэффициенты отражения и прохождения электромагнитного излучения в широком диапазоне частот 1 МГц – 30 ГГц.

  
  Технологическая карта создания структурированных полимерных эластомеров с магнитным наполнителем в присутствии магнитного поля.

• Экспериментальное исследование физических характеристик новых нанокомпозитных материалов на основе полимерных материалов с внедренными наночастицами металлов и их оксидов и влияния на них внешних магнитных и электрических полей

  Руководитель направления Кашин Вадим Валерьевич науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-33-68

  
  

   
  Разрабатываются наноэлектронные устройства реализующие квантово-размерные эффекты. Стремительное развитие полупроводниковой микроэлектроники и элементной базы для нее уже сейчас привело к созданию элементов субмикронного размера. Дальнейший прогресс микроэлектроники скоро будет возможен только при создании новых элементов с размерами порядка десятков и единиц нанометров. Одной из перспективных ветвей дальнейшего развития электроники является молекулярная электроника и одноэлектроника.

  
  Структурная схема молекулярного транзистора и ВАХ одноэлектронного туннельного перехода при малых напряжениях.

   
  При уменьшении размеров электронных устройств в них начинают проявляться качественно новые эффекты, связанные, в частности, с дискретной природой электрического заряда и квантово-волновой природой электронов.
  Изучение квантовых эффектов и создание на их основе новых приборов и устройств является одной из первоочередных задач современной физики конденсированного состояния. На основе планарной нанотехнологии создаются и исследуются экспериментальные образцы наноэлектронных структур.

• Создание сенсорных пленок на основе Ленгмюр-Блоджетт технологий, исследование их электрофизических свойств и разработка на их основе газовых и биологических датчиков

  Руководитель направления Горбачев Илья Андреевич ст. науч. сотр., к.х.н. эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-33-68

  
  

   
  Разрабатываются методы получения новых ленгмюровских пленок с включением квантовых точек и биологических объектов для разработки сенсорных покрытий для химических и биологических датчиков. Проводится исследование влияния количества ленгмюровских слоев на сенсорные характеристики создаваемых пленок. При исследовании электрофизических и структурных свойств создаваемых ЛБ-пленок используются методы импедансометрии и атомно-силовой микроскопии.

  
  Технология Ленгмюра-Блоджетт для получения мономолекулярных высокоупорядоченных слоев.

• Разработаны и исследованы интегральные наноструктуры, совмещенные с акустическими линиями задержки, что дает возможность разработки акусто-наноэлектронных датчиков с высокой чувствительностью и селективностью. Разработана технология формирования нанопроводов на поверхности пластины ниобата лития. Наноструктура, состоящая из нескольких нанопроводов размером 20 нм x 180 нм, была помещена в центр линии акустической задержки между ВШП. Исследовались вольтамперные характеристики нанопроводов в присутствии акустической волны. Продемонстрировано наличие акусто-электронного эффекта, заключающегося в увлечении электронов пьезоактивной акустической волной и появлении акустоэлектронной эдс, проявляющейся в смещении вольтамперных характеристик.

  

  Публикации:
  

  • Kolesov V.V.,Kuznetsova I.E., Soldatov E.S., Melnikov A.E., Dagesyan S.A. Influence of plate acoustic waves on electronic transport in nanowires// Nanotechnology, 2020, v.31, #14, p.145205

• Методом струйной печати при помощи серебряных чернил были изготовлены встречно-штыревые преобразователи для акустической линии задержки на основе пластины Y-X ниобата лития для диапазона частот от 1 до 14 МГц. Были исследованы морфологические, структурные и электрофизические характеристики в зависимости от температуры спекания полученных электродов. Показано, что традиционная струйная печать может заменить сложный фотолитографический метод изготовления встречно-штыревых преобразователей для акустических линий задержки, работающих до 14 МГц. Полученные электродные структуры позволяют эффективно возбуждать акустические волны с высоким значением коэффициента электромеханической связи в пьезоэлектрических пластинах.

  

  Публикации:
  

  • Kuznetsova I.E., Smirnov A.V., Ansimkin V.I., Gubin S.P., Signoria M.-A., Francioso L., Kondoh J., Kolesov V.V. Inkjet printing of plate acoustic wave devices // Sensors, 2020, v.20, p.3349

• Методом конечных элементов проведено моделирование фрактальной ректенны с центральной частотой 5 ГГц. Построены диаграммы направленности. Проведено сравнение результатов моделирования с образцом реальной антенны, созданной на основании расчётов. Показана возможность использования разработанной фрактальной ректенны для сбора электромагнитной энергии Wi-Fi сетей нового поколения.

  

  Публикации:
  

  • Smirnov A.V., Gorbachev I.A., Gorbunova A.V., Fionov A.S., Kolesov V.V.,Kuznetsova I.E. Fractal rectenna for collecting energy in the Wi-Fi range //Radioelektronika, Nanosystemy, Informacionnye Tehnologii, 2020, v.12, #3, pp.313-318

• Измерены толщина, продольный и поперечный модули упругости пленки оксида графена в зависимости от влажности воздуха. Показана возможность ее использования для создания датчика влажности.

  
  

  Публикации:
  

  • Kuznetsova I.E., Anisimkin V.I., Kolesov V.V., Kashin V.V., Osipenko V.A., Gubin S.P., Tkachev S.V., Verona E., Sun S., Kuznetsova A.S. Sezawa wave acoustic humidity sensor based on graphene oxide sensitive film with enhanced sensitivity// Sensors and Actuators:B, 2018, v.272, pp.236-242

• Усовершенствована технология получения двусторонних гибких пьезоэлектрических структур на основе пьезоэлектрических пленок ZnO и различных гибких материалов. Исследованы структурные свойства пленок ZnO, нанесенных на различные подложки (кремний (a), ITO стекло (b), сапфир (c) и каптон(d)). Измерен пьезомодуль полученной пленки. Полученные структуры применены для создания вибро-пьезо-преобразователя, который генерирует переменное напряжение около 35 мВ.

  

  Публикации:
  

  • E. Golovanov, V. Kolesov, V. Osipenko, V. Anisimkin, I. Kuznetsova. ZnO piezoelectric films for acoustoelectronic and microenergetic applications. Coatings, 2022, v.12, 709

• Исследовано влияние дополнительного терморасширения графита (ТМРГ) на электрохимические свойства биосенсоров на основе мембранных фракций уксуснокислых бактерий Gluconobacter oxydans. Для исследования использовали рамановскую спектроскопию, сканирующую электронную микроскопию и электрохимический анализ. Спектры КР показали, что образование ТМРГ привело к его расслоению на более мелкие частицы и более упорядоченной слоистой структуре с высокой степенью «графенизации». Модификация ТРГ приводила к образованию дополнительных полостей, в которые могли иммобилизоваться бактериальные клетки или фракции бактериальных мембран, что положительно влияло на электропроводность биосенсоров Показана возможность разработки безмедиаторных биосенсоров третьего поколения для детекции глюкозы на основе ТМРГ, а также медиаторных биосенсоров второго поколения для детекции глюкозы, этанола и глицерина.

  

  Публикации:
  

  • Plekhanova Y., Tarasov S., Kitova A., Kolesov V., Kashin V. , Sundramoorthy A.K., Reshetilov A., Modifcation of thermally expanded graphite and its effect on the properties of amperometric biosensor // 3 Biotech. 2022., V. 12. P. 42.

• На основе нелинейных систем с хаотической динамикой разработаны конечномерные порождающие математические алгоритмы для синтеза хаотических кодирующих сигналов с повышенной структурной сложностью. Проведен анализ структурной и фрактальной сложности псевдослучайных целочисленных и бинарных последовательностей. Показано, что сложные кодирующие сигналы такого типа обладают высокой информационной емкостью и по статистическим, корреляционным и фрактальным свойствам практически совпадают с параметрами случайных последовательностей и могут эффективно использоваться в различных многопользовательских радиотехнических системах, где требуется высокая помехоустойчивость, защита от несанкционированного доступа и криптостойкость.

  Публикации:
  

  • Nikita A. Ageykin, Vladimir I. Grachev, Viktor I. Ryabenkov, Vladimir V. Kolesov. Information Technologies Based on Noise-like Signals: I. Discrete Chaotic Algorithms. RENSIT: Radioelectronics. Nanosystems. Information Technologies, 2022, 14(1):47-64

• Численными методами проанализировано влияние основных параметров порождающего хаотического алгоритма с запаздыванием на статистические, корреляционные, структурные и фрактальные характеристики непериодических псевдослучайных целочисленных и бинарных последовательностей, формируемых алгоритмом. Показано, что непериодические псевдослучайные последовательности (ПСП), формируемые хаотическим алгоритмом с запаздыванием, при всех значениях основных параметров обладают хорошими статистическими, корреляционными, структурными и фрактальными характеристиками, близкими к случайным последовательностям независимых испытаний. Показано, что данные характеристики обеспечиваются на длинном цикле ПСП в многомерном фазовом пространстве при всех основных параметрах хаотического алгоритма и произвольном выборе начальных условий. Такие бинарные ПСП достаточно эффективно могут быть применены в телекоммуникационных системах, использующих поточное кодирование больших блоков информационных сообщений с точки зрения скрытности, помехоустойчивости и криптостойкости канала связи.

  Публикации:
  

  • Vadim V. Kashin, Vladimir I. Grachev, Viktor I. Ryabenkov, Vladimir V. Kolesov. Information Technologies Based on Noise-like Signals: II. Statistical and Fractal Properties of Chaotic Algorithms. RENSIT: Radioelectronics. Nanosystems. Information Technologies, 2022, 14(2):151-164e

• Методом термического разложения диацетата палладия были получены композиционные наноматериалы, представляющие собой палладийсодержащие наночастицы, локализованные в объеме матрицы полиэтилена высокого давления (ПЭВД). Полученные композиты были охарактеризованы методами ПЭМ, РФА и EXAFS. Установлено, что Pd-содержащие наночастицы имеют средний размер 7.0±0.5 nm, состоят из металлической Pd и оксидной PdO2 компонент. Наряду с установлением размеров и состава наночастиц были проведены исследования методом ЭПР. Для всех образцов наблюдается узкие (3÷5 Oe) линии ЭПР при g ≈2.00. Исследование кривых насыщения показало, что спектры ЭПР неоднородно уширены, причём релаксационные свойства неодинаковы для различных спектральных компонент, что приводит к зависимости ширины спектра от мощности микроволнового поля. В первом приближении спектры ЭПР могут быть представлены суммой двух лоренцианов, обусловленными, возможно, парамагнитными центрами в объёме и на поверхности частиц. Увеличение концентрации наночастиц в полимерной матрице приводит к росту среднего размера частиц и уменьшению доли поверхностных центров. Исследованы электрофизические свойства полученных нанокомпозитов, установлены их зависимости от концентрации наполнителя.

  Публикации:
  

  • Gleb Yurkov, Yury Koksharov, Alexander Fionov, Nikolai Taratanov, Vladimir Kolesov, Vladislav Kirillov, Mstislav Makeev, Pavel Mikhalev, Dmitriy Ryzhenko and Vitaliy Solodilov, Polymer Nanocomposite Containing Palladium Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Properties, Polymers 2022, 14, 3795

• Исследован процесс формирования ЛБ-матрицы на основе смешанного монослоя арахиновой кислоты и квантовых точек, стабилизированных молекулами триоктилфосфин оксида. Изучено изменение морфологии и физико-химических свойств создаваемых смешанных монослоев в зависимости от мольного соотношения компонентов. Показано, что изменение морфологии монослоев начинает происходить при мольном соотношении компонентов квантовые точки/молекулы арахиновой кислоты 1:24. В смешанном монослое появляются дендримерные структуры с толщиной порядка 30-40 нм. Информация о зависимости морфологии подобных структур от мольного соотношения компонентов необходима при создании упорядоченных двумерных наноструктур, содержащих нульмерные и одномерные объекты на квантовых связях. Подобные наноструктуры могут быть использованы в наноэлектронных и оптоэлектронных устройствах в качестве чувствительного сенсорного элемента.

  

  Публикации:
  

  • Gorbachev I., Smirnov A., Glukhovskoy E., Kolesov V., Ivanov G., Kuznetsova I. Morphology of mixed Lamgmuir and Langmuir-Schaefer monolayers with covered CdSe/CdS/ZnS quantum dots and arachidic acid// Langmuir, 2021, 37(38), 1405-1413, 10.1021/acs.langmuir.1c02345.

Информация о лаборатории доступна также на сайте labsensors.org

Выполняемые гранты:
1. Проект РНФ 20-19-00708 (2020-2024) Исследование фазовых переходов в жидких средах при помощи акустоэлектронных методов и разработка новых датчиков физических величин на этой основе. Руководитель: Кузнецова И.Е. Основные исполнители: Колесов В.В., Кашин В.В.
2. Проект РНФ-NSFC (Китай) 21-49-00062 (2021-2023) Исследование характеристик жидких суспензий при помощи акустоэлектронных технологий и разработка нового поколения сенсоров. Руководитель: Кузнецова И.Е. Основной исполнитель: Колесов В.В.
3. Проект РФФИ-Итал-т №20-57-7804 «Мультифункциональный Lung-on-Chip с использованием акустоэлектронных элементов для изучения вирусных заболеваний и перепрофилирования антивирусных препаратов» (2021-2023). Руководитель: Анисимкин В.И. Основные исполнители: Колесов В.В., Горбачев И.А.
4. Проект МОН-MOST (Китай) 13.2251.21.0203 (2023-2025) Ключевые технологии исследования и разработки высокоэффективных акустических датчиков жидкости. Руководитель: Кузнецова И.Е. Основной исполнитель: Колесов В.В.
5. Грант Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов и докторов наук МК-1587.2022.4 (2022-2023) Разработка системы автономного питания и коммуникации для распределенных сенсорных сетей нового поколения Руководитель: Смирнов А.В. Научный консультант: Колесов В.В.
6. Проект РНФ-Москва 22-29-20317 (2022-2023) Исследование сорбционных свойств пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе графена и его соединенийакустоэлектронными методами для разработки датчика монооксида и диоксида углерода. Руководитель: Горбачев И.А.
7. Проект РНФ-Москва 22-29-20176 (2022-2023) Структурированные композитные магнитоактивные материалы с управляемыми электрофизическими свойствами. Руководитель: Фионов А.С.

Научная коллаборация:
1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (SKL MCMS NUAA), Nanging, China — Prof. Zhenghua Qian
2. Department of Physics, Faculty of Hydraulic Engineering, University of Architecture, Civil Engineering and Geodesy (UACEG), Sofia, Bulgaria – Dr. George Ivanov
3. Multifunctional Devices Design and Characterization Laboratory, Institute for Microelectronics and Microsystems of CNR (CNR-MMM), Lecce, Italy – Dr. Maria Assunta Signore, Dr. Luca Francioso.
4. ФГБНУ «Научно-исследовательский институт по изысканию новых антибиотиков имени Г.Ф. Гаузе» (НИИНА) – д.б.н. Л.М. Краснопольская
5.  НИИ Пульманологии ФМБА России – д.м.н. К.А. Зыков
6. ФГБУН Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН – д.х.н. А.Н. Решетилов
7. Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, физический факультет, лаборатория «Криоэлектроника» – д.ф.-м.н. Е.С.Солдатов
8. Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН, к.х.н. Яблоков М.В.
9. Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, к.ф.-м.н. В.Н.Горшенев
10. Московский технологический университет (МИРЭА),Кафедра химии и физики полимеров и полимерных материалов, д.х.н. Е.Э. Потапов