// Математика, информатика и науки о системах
.png "Предобработанные данные дистанционного зондирования Земли в пределах региона исследования на территории Иркутской области на 11 июля 2020 года с детализированными характеристиками растительного покрова. Источник: Illarionova, S., Shadrin, D., Gubanov, F. et al.")
Предобработанные данные дистанционного зондирования Земли в пределах региона исследования на территории Иркутской области на 11 июля 2020 года с детализированными характеристиками растительного покрова. Источник: Illarionova, S., Shadrin, D., Gubanov, F. et al.
Ученые из Сколтеха создали систему на основе искусственного интеллекта и спутниковых данных для оценки состояния лесов и прогнозирования лесных пожаров с точностью до 87%. В отличие от аналогов, система учитывает разнообразную информацию — от погоды до активности населения в конкретном регионе, что повышает качество предсказаний. Разработка позволит ответственным организациям заранее принимать меры по защите граждан и лесных массивов, а также снижать риск возникновения пожаров.
Авторы использовали технологию машинного обучения, спутниковые снимки и архивные данные о пожарах за 10 лет — всего около 17 тыс. случаев с 2012 по 2022 гг. Алгоритм анализировал их и сам выявлял закономерности. Кроме того, отдельно учитывались особенности конкретных исследуемых территорий, например тип растительности, характеристики рельефа, а также метеоданные — температура, осадки, ветер и испарение — для оценки вероятности возгорания и распространения огня. Сведения собирались в единую базу для дальнейшей обработки и формирования прогноза. Особое внимание было уделено детальным характеристикам лесного покрова, которые можно получить на основе спутникового мониторинга территорий.
Прогноз проводился на пять дней вперед. В испытаниях разработчики добились точности предсказания от 70% до 87% в зависимости от региона. Этого достаточно для практического использования системы, чтобы ответственные органы могли принимать меры по недопущению возгораний. Например, провести увлажнение леса или закрыть к нему доступ для посторонних. Кроме региональных властей, система может быть полезна заповедникам, научным центрам и другим организациям, работающим с лесными экосистемами.
// Физика и науки о космосе
.jpeg "a) Устройство перовскитного наномемристора: монокристаллический нанокуб из цезий бромида свинца (CsPbBr3) располагается между алмазом, легированным бором (BDD), и оксидом индия олова (ITO); b) Команда исследования: Сергей Макаров, Александра Фурасова, Прохор Алексеев и Аболфазл Махмудпур. Источник: Александра Фурасова")
a) Устройство перовскитного наномемристора: монокристаллический нанокуб из цезий бромида свинца (CsPbBr3) располагается между алмазом, легированным бором (BDD), и оксидом индия олова (ITO); b) Команда исследования: Сергей Макаров, Александра Фурасова, Прохор Алексеев и Аболфазл Махмудпур. Источник: Александра Фурасова
Ученые из Университета ИТМО совместно с зарубежными коллегами разработали перовскитный наномемристор — элемент, который изменяет сопротивление в зависимости от величины и направления тока, при этом «запоминая» историю сигналов. Устройство можно использовать для хранения информации или обработки данных. Электронный компонент в испытаниях выдерживал более 1,5 тыс. циклов перезаписи и работал в течение нескольких месяцев без разрушения в комнатных условиях. Традиционные перовскитные мемристоры обычно выходят из строя уже после десятков–сотен циклов.
Перспективными материалами для создания мемристоров выступают перовскиты — кристаллы с упорядоченной структурой, которая дает предсказуемые электрические свойства. Однако до сих пор перовскитные мемристоры оставались слишком нестабильными для практического применения.
Исследователи поместили элемент из цезий бромида свинца между алмазом с добавлением атомов бора и оксидом индия олова — химически инертными электродами, которые обеспечивают устойчивость переключения мемристора. При этом устройство рекордно компактное и энергоэффективное: монокристалл размером 130–160 нанометров, едва видимый под мощным микроскопом, потребляет всего 70–80 нановатт энергии, что примерно в десятки тысяч раз меньше, чем потребление стандартного светодиода.
Полученный перовскитный мемристор станет основой для энергоэффективных и ультракомпактных процессоров, имитирующих работу мозга, для задач искусственного интеллекта и машинного обучения.
В исследовании принимали участие сотрудники Харбинского инженерного университета.
// Химия и науки о материалах
.png "Коллектив авторов. Источник: Евгений Гордеев")
Коллектив авторов. Источник: Евгений Гордеев
Фотокатализаторы — это особые вещества, которые ускоряют химические реакции, когда на них попадает свет. Ученые из Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН на примере фенотиазина впервые обнаружили, что под действием света фотокатализатор изменяется в новые формы, которые проявляют более высокую каталитическую активность. Такой «коктейль» работает гораздо лучше, чем одна молекула. Благодаря этому в реакции получается до 99% нужного продукта, а новые формы могут работать даже в той области спектра, в которой исследуемый органический фотокатализатор фенотиазин раньше не был активен, например в красной. Концепция «коктейля катализаторов» открывает путь к созданию нового поколения энергоэффективных и универсальных ускорителей реакций.
Химики изучили, как под воздействием света ведет себя популярный органический фотокатализатор фенотиазин. Ранее считалось, что катализатор в процессе реакции остается в прежней форме, участвуя только в переносе электронов. Когда на фенотиазин стали воздействовать светом, он начал меняться — из соединения стали получаться димеры, тримеры и даже более крупные группы активных молекул. При этом каждая из них обладала своими фотофизическими свойствами, поглощая свет в широком диапазоне — от ультрафиолетового до зеленого и даже красного, где исходный фенотиазин почти неактивен.
Авторы отметили, что подобные процессы перестройки могут происходить в других известных фотокатализаторах. Понимание механизма «коктейля катализаторов» позволит создавать новые универсальные и дешевые ускорители реакций для синтеза химических соединений.
// Биология и науки о жизни
.jpg "Модель аппарата «Восток» и петля ДНК. Источник: Дарья Четверина")
Модель аппарата «Восток» и петля ДНК. Источник: Дарья Четверина
Ученые из Института биологии гена РАН совместно с зарубежными коллегами выяснили, что за правильную работу генов, контролирующих развитие нервной системы, отвечают белки, которые помогают ДНК сложиться внутри клетки. К этому важному выводу помог прийти открытый исследователями белок, который как крючок зацеплялся за определенные участки ДНК, образовывал на ней петли и тем самым складывал. В схематичном виде такие петли обозначаются в виде дуги, которая напоминает траекторию полета космической ракеты. Поэтому ученые назвали белок Vostok в честь первого пилотируемого космического аппарата. Знания об образовании петель ДНК в будущем позволят корректировать работу генов, в том числе при наследственных заболеваниях нервной системы.
Биологи выяснили, как в нейронах контролируется «сворачивание» ДНК, в частности, образование на ней петель, которые позволяют регуляторным белкам сближаться с нужными генами, взаимодействовать с ними и тем самым изменять их активность. Компьютерный анализ выявил повторяющуюся последовательность, связанную с образованием петель, и новый белок Vostok, который к ней присоединяется. Выключив ген Vostok у дрозофил, ученые обнаружили, что число таких петель снижается. Потеря нового белка-регулятора нарушала работу генов, отвечающих за развитие нервной системы, и приводила к гибели мух на стадии куколки.
Понимание того, как формируются петли в молекуле ДНК, открывает новые возможности для генной терапии.
В исследовании принимали участие сотрудники Принстонского университета.
// Фундаментальные исследования для медицины
.jpg "Крупный план сферической антенны, показывающий миниатюрные пьезоэлементы. Источник: Пресс-служба ИПФ РАН")
Крупный план сферической антенны, показывающий миниатюрные пьезоэлементы. Источник: Пресс-служба ИПФ РАН
Ученые из Института прикладной физики РАН имени А.В. Гапонова-Грехова совместно с зарубежными коллегами разработали первую в мире сферическую многоэлементную антенну из гибкого пьезополимерного материала, делающую оптоакустическую томографию более чувствительной и информативной. Устройство позволяет в реальном времени наблюдать за кровотоком в крупных артериях и мельчайших капиллярах, сопоставимых по размеру с отдельным эритроцитом.
Исследователи создали сферический массив из 512 миниатюрных датчиков, каждый из которых независимо регистрирует ультразвуковые сигналы. Такая система обеспечивает получение качественных изображений глубокой сети сосудов без хирургического вмешательства и с высокой пространственно-временной точностью.
Оптоакустическая технология, позволяющая увидеть процесс насыщения кислородом внутри живых тканей, открывает новые возможности для раннего выявления заболеваний сердца, сосудов и мозга, а также применима в неразрушающем контроле и фундаментальных биологических исследованиях.
В проекте участвовали сотрудники Университета Тунцзи, Цюрихского университета, Швейцарской высшей технической школы Цюриха, Высшего совета по научным исследованиям Испании и Центра Гельмгольца.
// Сельскохозяйственные науки
.jpg "Исследование влияния разработанных добавок на рыбу. Источник: информационная служба факультета «Агропромышленный» ДГТУ")
Исследование влияния разработанных добавок на рыбу. Источник: информационная служба факультета «Агропромышленный» ДГТУ
Ученые из Донского государственного технического университета выявили новые штаммы полезных бактерий, которые могут стать эффективными пробиотиками для выращивания стерляди — одного из ценных видов осетровых. Благодаря внедрению передовых научных технологий и поддержке со стороны индустриальных партнеров, результаты исследования смогут оперативно выйти на рынок, повысив эффективность и устойчивость рыбоводных предприятий России.
В эксперименте были использованы две группы бактерий: первая помогала переваривать белки и крахмал, а вторая — кроме этого еще защищала рыбу от стресса и окислительного воздействия.
При добавлении этих пробиотиков в корм для личинок стерляди на два месяца две группы рыб показали лучший рост: вес увеличился на 9–15% по сравнению с обычным кормлением. Одновременно у рыб снизились признаки воспаления и стресса, что говорит о более здоровом развитии.
Генетический анализ показал, что только бактерии со «стрессоустойчивыми» свойствами производят особые вещества, которые защищают рыбу от окислительного воздействия и помогают ей лучше справляться с неблагоприятными условиями.
Использование пробиотиков из новых штаммов в кормах для стерляди может улучшить рост рыбы, снизить потери из-за болезней и стресса, а значит повысить эффективность и качество отечественного производства в аквакультуре.
// Науки о Земле
.jpg "Глубоководный обитаемый аппарат «Фендоуже» (КНР). Источник: Андрей Гебрук")
Глубоководный обитаемый аппарат «Фендоуже» (КНР). Источник: Андрей Гебрук
Ученые из Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН в составе международной группы обнаружили процветающие сообщества организмов на глубине более 9,5 тысяч метров в хадальной зоне Тихого океана — это более чем в два раза глубже, чем затонувший «Титаник». Это уникальная природная лаборатория для изучения условий, при которых могла зародиться жизнь на нашей планете: организмы живут в полной темноте, в воде с температурой, близкой к точке замерзания, и при давлении, почти в 1000 раз превышающем давление на поверхности Земли. При этом оказалось, что местные жители питаются химическими веществами, выделяющимися при погружении тектонических плит. Находка показывает невероятную стойкость жизни и открывает новые горизонты для изучения глубинной биосферы, где природа научилась добывать энергию из химии, а не света.
Ученые обследовали 2,5 тысячи км Курило-Камчатского желоба и западной части Алеутского желоба на глубинах от 5 800 до 9 533 метров с помощью погружений на пилотируемом аппарате летом 2024 года. Собранные геохимические данные показали, что организмы, живущие в хадальной зоне, питаются сероводородом и метаном из недр Земли. Среди них — двустворчатые моллюски и морские многощетинковые черви.
Авторы отмечают, что среди обнаруженных существ есть такие, которые полностью зависят от химической, а не солнечной энергии. Также на этих глубинах обитают амфиподы и морские огурцы, питающиеся не химикатами, а произведенной с их помощью органикой.
Исследование организовано Национальным научным центром морской биологии имени А. В. Жирмунского и Институтом глубоководной науки и техники.
// Гуманитарные и социальные науки
.jpg "Раскопки в южной галерее Денисовой пещеры. Источник: ИАЭТ СО РАН")
Раскопки в южной галерее Денисовой пещеры. Источник: ИАЭТ СО РАН
Ученые из Института археологии и этнографии СО РАН с участием международной группы детально исследовали ранее малоизученную Южную галерею Денисовой пещеры в Сибири — единственной археологической лаборатории, в которой надежно установлено присутствие сразу трех видов древнего человека. Там они нашли каменные орудия, костные останки ископаемых гомининов, фрагменты костей животных, что позволило реконструировать жизнь обитателей пещеры. Раскопки в Южной галерее уточнили данные о денисовцах, неандертальцах и современных людях, проживавших здесь в разные периоды на протяжении 300 тыс. лет. Новые находки существенно увеличили объем сведений о генетике денисовцев, датируемой периодом около 200 тыс. лет назад, и позволили построить целостную картину того, как менялась среда обитания и как на нее реагировали разные виды людей.
Исследователи отобрали и изучили несколько сотен проб осадков, обнаружив образцы ДНК денисовцев, неандертальцев и животных в слоях, охватывающих период около 300 тыс. лет. Кроме того, были найдены каменные и костяные орудия, украшения — подвески из зубов животных и мамонтовая фигурка, а также зубы и фрагменты черепа денисовцев. Раскопки позволили уточнить, когда пещера заселялась разными видами людей: денисовцы появились здесь около 300 тыс. лет назад, а неандертальцы — примерно 150 тыс. лет назад.
Результаты исследования дают самую полную временную шкалу присутствия предков человека в Денисовой пещере и помогают лучше понять, как они адаптировались к изменяющейся среде и взаимодействовали друг с другом в ходе эволюции.
В исследовании принимали участие сотрудники Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, Палеонтологического института имени А.А. Борисяка, Вуллонгонгского университета, Института эволюционной антропологии общества Макса Планка.
// Инженерные науки
.jpg "Авторский коллектив. Источник: Вячеслав Сторчак")
Авторский коллектив. Источник: Вячеслав Сторчак
Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» и Дальневосточного федерального университета создали и исследовали новый материал — двумерный альтермагнетик толщиной всего в один монослой. Это открывает путь к спинтронным устройствам будущего — энергоэффективной памяти и логическим схемам компьютеров на основе спина электрона.
Традиционно, магниты делятся на два класса — ферромагнетики и антиферромагнетики. Недавно открытые альтермагнетики сочетают в себе лучшие свойства этих двух классов, что ранее считалось невозможным: значительные спиновые сигналы при отсутствии мешающих работе устройств рассеянных магнитных полей.
Однако, современная электроника требует наноматериалов на уровне монослоя, интегрированных с кремниевой технологической платформой.
Ученые решили эту задачу, синтезируя на кремнии пленки на основе редкоземельного элемента гадолиния, уменьшая их толщину — от сотен атомных слоев до монослоя. Полученные пленки продемонстрировали все ожидаемые свойства альтермагнетиков. Переход к двумерному пределу позволил получить максимальные спиновые сигналы. Для различных приложений получены как металлические, так и полупроводниковые материалы. Последующие исследования позволили создать аналогичные редкоземельные альтермагниты на германиевой платформе.
Разработанная авторами технология делает возможным создание новых спинтронных устройств, в которых информация передается не только зарядом электрона, но и его спином. Это позволит осуществить переход к чипам с предельно низким энергопотреблением, которые работают быстрее, чем современные компоненты электроники.
// Микроэлектроника
.jpg "a) Фотография пластины; b) Топология микроволновой монолитной интегральной схемы. Источник: АО «Светлана-Рост»")
a) Фотография пластины; b) Топология микроволновой монолитной интегральной схемы. Источник: АО «Светлана-Рост»
Специалисты компании «Светлана-Рост» создали первую в России библиотеку топологий и моделей стандартных элементов субмикронного уровня, позволяющую проектировать мощные СВЧ-микросхемы. Современные технологические решения для производства отечественных микросхем на нитриде галлия и арсениде галлия открывают путь к созданию новой элементной базы для систем навигации, связи и радиолокации. Они не только обеспечивают технологическую независимость в производстве ключевых радиоэлектронных компонентов, но и дают возможность разрабатывать отечественные сверхвысокочастотные системы следующего поколения, способные конкурировать с мировыми аналогами.
Несмотря на успехи в разработке отечественных СВЧ-технологий, ключевой проблемой остается зависимость российской микроэлектроники от импортных компонентов и отсутствие собственной промышленной платформы для проектирования и производства сложных микросхем. Чтобы преодолеть эти сложности, специалисты АО «Светлана-Рост» разработали методологию точного согласования мощных транзисторов на основе нитрида галлия в гибридных сборках, подтвержденную испытаниями макетов, — параметры тестовых СВЧ-устройств совпадали с расчетными. Одновременно с этим инженеры создали первую в России библиотеку топологий и моделей стандартных элементов субмикронного уровня, позволяющую проектировать мощные нитридные СВЧ-микросхемы. Ее использование в составе комплексного инструмента проектирования впервые дало возможность перейти от разработки мощных транзисторов к монолитным СВЧ-микросхемам. Это дает отечественным разработчикам инструмент для создания перспективной СВЧ-электроники без использования импортных компонентов, а технология готова к дальнейшему развитию в полноценную промышленную платформу.
Кроме того, инженеры усовершенствовали ключевые технологические блоки и подготовили к серийному производству отечественную технологию изготовления микросхем с рабочими частотами до десятков гигагерц на основе другого материала – арсенида галлия. Удалось значительно повысить качество и стабильность производства: выход годных по пластине вырос на треть, а количество необходимых запусков на одну партию сократилось почти вдвое. Технология подтверждена испытаниями и готова к масштабированию — предприятие уже закупает новое оборудование для увеличения объемов производства.
В ходе обеих работ были созданы и переданы заказчикам прототипы монолитных СВЧ-микросхем для перспективной радиоэлектронной аппаратуры.
