Суперкомпьютерное моделирование и технология биомолекулярных пленочных структур

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-72-20029

НазваниеСуперкомпьютерное моделирование и технология биомолекулярных пленочных структур

Руководитель Цыбин Олег Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-203 - Поверхность и тонкие пленки

Ключевые слова Биомолекулярная электроника, тонкие пленки, компьютерное моделирование, молекулярные системы

Код ГРНТИ29.03.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Поставленную в данном проекте научную проблему отличает безальтернативность и высокая актуальность. В электронике возникла критическая необходимость революционных стратегических научно-технических решений. Актуальные задачи электроники не могут быть в достаточной мере решены на полупроводниковой платформе из-за накопления технических противоречий, усиления принципиальных технологических и методических ограничений, приближения параметров и функциональных возможностей к предельным значениям. Препятствиями являются, например, квантовая неопределенность, технологические сложности, ограничения, обусловленные выделением тепла, рост энергоемкости операций, экологической нагрузки, стоимости материалов, оборудования и технологий, и др. Как следствие, доказательная база программ финансирования полупроводниковой платформы испытывает тенденцию к снижению. С большой вероятностью новая электроника на начальном этапе будет строиться на объединении платформ твердотельной наноэлектроники и (био)молекулярной электроники. Основанием служат уникальные, исключительные свойства биомолекул, рассматриваемые в биологии как триада «структура-динамика-функция», а в электронике – как способный к «гипер» эффективной обработке потока данных пространственно-локализованный наноразмерный сверхширокополосный комплекс связанных квантовых осцилляторов. Высокоэффективная, «гипер» функциональная природная архитектура биологических объектов в сочетании с устойчивой квантовой «идентичностью» молекул, внутримолекулярной «сверхпроводимостью» при биологической температуре, (туннельный транспорт носителей с энергией, близкой к тепловой, без рассеяния и выделения тепла), большая пространственная плотность информации (1 бит в объеме не более 0.1 нм3) и высокое быстродействие (время реакции до пс-фс), низкие стоимость и экологическая нагрузка в синергетическом сочетании с высокоразвитой технологией полупроводниковой наноэлектроники должны будут обеспечить перспективную электронику, которая радикально превзойдет по своим функциональным возможностям «классическую» полупроводниковую электронику. Некоторые имеющиеся промежуточные результаты идей и лабораторных моделей: ДНК – компьютер; биомолекулярные диоды, транзисторы, сенсоры с встроенными биомолекулярными пленками; генераторы и приемники ТГц и мм излучения, устройства памяти на основе белковых молекул; биомолекулярные бинарные элементы для фон-Неймановской компьютерной архитектуры, биоинспирированные метаматериалы, концептуальные модели квантовых компьютеров. В проекте будут даны анализ и обоснование выбора базовых полупроводниковых микроэлектронных устройств, а также органических и неорганических материалов для их применения в создаваемых гибридных приборах. Такими устройствами могут стать СВЧ диоды и транзисторы, а материалами - единичные молекулы белков, молекулярные кластеры и тонкие пленки, в том числе обладающие свойствами метаматериалов. Будет обоснована и разработана технология имплантации избранных биомолекулярных элементов в базовые полупроводниковые микроэлектронные приборы. Будет разработана и реализована методика исследования физических процессов в биомолекулярных элементах в условиях их применения в создаваемых гибридных устройствах. Создание суперкомпьютерных моделей гибридных устройств позволит обосновать, исследовать, апробировать и адаптировать к изготовлению опытные образцы устройств. В частности, требуется изучение специфических электронно-физических свойств комплексов макромолекул, процессов самоорганизации молекул при их имплантации в устройство, взаимодействие биомолекулярной среды с внешними электромагнитными и акустическими полями, а также конструктивными элементами в создаваемых гибридных устройств. В планах суперкомпьютерного моделирования стоит задача разработки in silico элементов на основе биопленочных структур, моделирование белковых и иных покрытий, компьютерное конструирование и дизайн новых биомолекулярных элементов новой электроники. Подобные исследования проводятся в настоящее время в ведущих лабораториях страны и в мире. В консорциуме трех авторитетных международных программ: ITRS 2.0 - International Technology Roadmap for Semiconductors; RCI - Rebooting Computer Initiative; IRDS – International Roadmap for Devices and Systems, - признана актуальная задача создания подобных инновационных электронных систем, обладающих новыми физическими состояниями. Предположительно, будут созданы прорывные инновационные архитектура, принципы и модели вычислений, отличные от фон-Неймановской, а также элементы электронных систем, отличные от интегральных МОП транзисторов на кремнии. Планируемые в данном проекте результаты отличаются существенной научной новизной, и в основном будут получены впервые. В частности, научная новизна проекта заключается в создании суперкомпьютерных, экспериментальных и аналитических моделей белковых пленок и покрытий, имплантированных в создаваемые устройства биомолекулярной электроники. Подобные результаты, посвященные моделированию белковых покрытий, публикуются в ведущих мировых изданиях, происходит патентование прототипов гибридных устройств ведущими электронными, биохимическими, фармацевтическими и другими компаниями.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Баранов М.А., Величко Е.Н. Investigation methods of dehydrated protein films for biomolecular electronics Springer, Lecture Notes in Computer Science: Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networks and Systems (год публикации - 2022)

2. Величко Е.Н., Непомнящая Э.К., Баранов М.А., Скворцов А.Н., Плешаков И.В., Ге Донг Aggregation Properties of Albumin in Interacting with Magnetic Fluids International Journal of Molecular Sciences, 22(19), 10734 (год публикации - 2021)
10.3390/ijms221910734

3. Дюбо Д.. Цыбин О.Ю. Computer Simulation of a Surface Charge Nanobiosensor with Internal Signal Integration biosensors, 11(10), 397 (год публикации - 2021)
10.3390/bios11100397

4. Гареев К.Г., Груздев Д.С., Харотинский П.В., Кириленко Д.А., Костеров А, Непомнящая Э.К., Шевцов М., Козяева В.В. Magnetic Properties of Bacterial Magnetosomes Produced by Magnetospirillum caucaseum SO-1 Microorganisms, 9(9), 1854 (год публикации - 2021)
10.3390/microorganisms9091854

5. Дюбо Д., Гонзалес Дж., Цыбин О., Кондэ Л. Charge transport characterization of the alternative low power hybrid ion engine (alphie) with particle-in-cell simulations Physics of Plasmas, 28, 102507 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0060260

6. Климчитская Г.Л., Мостепаненко В.М., Величко Е.Н. Casimir pressure in peptide films on metallic substrates: Change of sign via graphene coating PHYSICAL REVIEW B, 103, 245421 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevB.103.245421

7. Баранов М.А., Величко Е.Н. Непомнящая Э.К., Плешаков И.В. Energy relaxation in molecular systems containing salt ions NANOSYSTEMS: PHYSICS, CHEMISTRY, MATHEMATICS, 12(5), 598-602 (год публикации - 2021)
10.17586/2220-8054-2021-12-5-598-602

8. Баранов М.А., Цыбин О.Ю., Величко Е.Н. Компьютерный анализ релаксации свободной энергии молекул глицина, триптофана и альбумина в ионизованном водном растворе Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, 14(4) (год публикации - 2021)
10.18721/JPM

9. Баранов М., Непомнящая Э., Величко Е. Computer Simulation of Biomolecules Around Metallic Nanoparticle for Biomolecular Electronics Proceedings of the 2021 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), p. 171-174 (год публикации - 2021)
10.1109/EEXPOLYTECH53083.2021.9614741

10. Прокофьев А., Плешаков И., Кузьмин Ю., Непомнящая Э., Величко Е., Фофанов Ю. Optical Methods for Studying Aggregates Formed in Magnetic Fluids Based on Solvents with Organic Additives Proceedings of the 2021 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), p. 226-229 (год публикации - 2021)
10.1109/EEXPOLYTECH53083.2021.9614906

11. Величко Е.Н., Цыбин О.Ю. Гибридная биомолекулярная электроника: монография СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, Санкт-Петербург, 261с (год публикации - 2021)

12. Климчицкая Г.Л., Мостепаненко В.М., Цыбин О.Ю. Casimir-Polder attraction and repulsion between nanoparticles and graphene in out-of-thermal-equilibrium conditions Physical Review B, В105, 19, 195430(8) (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevB.105.195430

13. Климчицкая Г.Л., Мостепаненко В.М., Цыбин О.Ю. Attractive and Repulsive Fluctuation-Induced Pressure in Peptide Films Deposited on Semiconductor Substrates Symmetry, 14 (10), 2196 (год публикации - 2022)
10.3390/sym14102196

14. Баранов М. А., Непомнящая Э.К., Цыбин О. Ю. Фурье-спектр интегрального дипольного момента суперкомпьютерных моделей аминокислот глицина, дифенил-l-аланина и триптофана Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics, Т. 15. № 4. 44-51, ПИ ФС77-52144 от 11.12.2012, CC BY-NC 4.0 (год публикации - 2022)

15. Ткач О. И., Савченко Е. А., Савченко Е. А. Investigation of Lyophobic Colloids by Electrophoretic Light Scattering Method IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, 2022, pp. 340-343 IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech) (год публикации - 2022)
10.1109/EExPolytech56308.2022.9950923

16. Савченко Е. А., Ткач О. И., Непомнящая Э. К. Высокоэффективный метод электрофоретического рассеяния света для анализа агрегационной устойчивости коллоидных растворов наночастиц Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics, 2022. Т. 15. № 4. ПИ ФС77-52144 от 11.12.2012, CC BY-NC 4.0 (год публикации - 2022)

17. Непомнящая Э.К., Баранов М.А., Цыбин О.Ю. Measurement of Refraction Coefficients in thin Biomolecular Films Studies IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, 2022, pp. 358-360 (год публикации - 2022)
10.1109/EExPolytech56308.2022.9950914

18. Шариати Ф., Баранов М., Цыбин О.Ю. Automatization of Biofilms Image Processing for Biomolecular Electronics and Life Science IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, 2022, pp. 79-82 (год публикации - 2022)
10.1109/EExPolytech56308.2022.9950961

19. Бронникова С.В., Цыбин О.Ю. Ионно-молекулярные процессы формирования заряженных состояний в пленках на поверхности твердого тела. В сборнике: Неделя науки ИЭТ СПбПУ Петра Великого. Материалы Всероссийской конференции 14 - 18.11.2022. (год публикации - 2022)

20. Кахновская В.М., Непомнящая Э.К., Баранов М.А. Получение биомолекулярных плёнок на основе растворов глицина и аланина различных концентраций методом дегидратации В сборнике: Неделя науки ИЭТ СПбПУ Петра Великого. Материалы Всероссийской конференции 14 - 18.11.2022. (год публикации - 2022)

21. Семухина Е.М., Баранов М.А. Компьютерное моделирование молекулярных систем для перспективных задач электроники. В сборнике: Неделя науки ИЭТ СПбПУ Петра Великого. Материалы Всероссийской конференции 14 - 18.11.2022. (год публикации - 2022)

22. Климчицкая Г.Л., Кориков К.К., Мостепаненко В.М., Цыбин О.Ю. Nonequilibrium Casimir–Polder Interaction between Nanoparticles and Substrates Coated with Gapped Graphene Symmetry, 15, 8, 1580, (CC BY) license (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/) (год публикации - 2023)
10.3390/sym15081580

23. Климчицкая Г.Л., Кориков К.К., Мостепаненко В.М., Цыбин О.Ю. Impact of Mass-Gap on the Dispersion Interaction of Nanoparticles with Graphene Out of Thermal Equilibrium Applied Sciences, 13, 3, 7511, license (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/ (год публикации - 2023)
10.3390/app13137511

24. Непомнящая Э.К., Баранов М. А., Цыбин О. Ю. Компьютерная резонансная динамика молекулы глицина в электрическом поле инфракрасного диапазона Письма в Журнал технической физики, 49, 7, 8-11, (год публикации - 2023)
10.21883/PJTF.2023.07.54913.19435

25. Баранов М.А., Карсеева Э.К., Цыбин О.Ю. Внутримолекулярные колебания глицина, дифенилаланина и триптофана в ТГц и ИК электрическом поле Биофизика (год публикации - 2023)

26. Баранов М. А., Карсеева Э. К., Цыбин О. Ю. Суперкомпьютерные динамические модели глицина, триптофана и дифенилаланина в электрических полях терагерцового и инфракрасного спектральных диапазонов Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, 16, 3, 59-72, CC BY-NC 4.0 (https:// creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) https://physmath.spbstu.ru/userfiles/files/Svidetelstvo_FM.jpg (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.16306

27. Баранов М.А., Карсеева Э.К., Цыбин О.Ю. Прототипы приборов гетерогенной гибридной полупроводниковой электроники с встроенным биомолекулярным доменом Микроэлектроника, №6, т.52, с. 497 - 507 (год публикации - 2023)
10.31857/S0544126923600185

28. Баранов М.А., Цыбин О.Ю. Supercomputer Simulation of Amino Acid Molecules High-Frequency Polarizability in THz Electric Field IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, pp 261 - 264 (год публикации - 2023)
10.1109/EExPolytech58658.2023.10318721

29. Шариати Ф., Баранов М.А., Цыбин О.Ю. Quantitative Analysis of Biomolecular Films: Automated Detection and Characterization of Leaves and Spiral Structures IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, 2023, pp.136-139, IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics (год публикации - 2023)
10.1109/EExPolytech58658.2023.10318635

30. Фарафонова А.А., Филиппов С.В., Попов М.Е., Топильский К.С. Параметры нейтрализаторов эрд и космических аппаратов на основе полевых эмиттеров Военмех. Вестник БГТУ, Т. 1 c. 174 – 177 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755583

31. Алексеев А.А., Плешаков И.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ТЕПЛОВОЙ ЛИНЗЫ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДИКИ ДВУЛУЧЕВОГО ЛАЗЕРНОГО ПРОСВЕЧИВАНИЯ ОБРАЗЦОВ Сборник материалов Всероссийской конференции «Неделя науки ИЭиТ», 20 - 25 ноября 2024 года, Институт электроники и телекоммуникаций Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. (год публикации - 2024)

32. Шариати Ф., Баранов М.А., Цыбин О.Ю. Structure of biomolecular films through advanced imaging and statistical analysis Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Т. 702. с. 134920 (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.134920

33. Климчицкая Г.Л., Кориков К.В., Мостепаненко В.М., Цыбин О.Ю. Nonequilibrium Casimir–Polder Interaction between Nanoparticles and Substrates Coated with Gapped Graphene [Symmetry 2023, 15, 1580]. Symmetry, MDPI, Т. 15. №. 8. С. 1580. (год публикации - 2024)
10.3390/sym16030274

34. Климчицкая Г.Л., Мостепаненко В.М., Цыбин О.Ю. Erratum: Casimir-Polder attraction and repulsion between nanoparticles and graphene in out-of-thermal-equilibrium conditions [Phys. Rev. B 105, 195430 (2022) Physical Review B, Т. 105. №. 19. С. 195430. (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.109.079901

35. Компан М.Е., Баранов М.А., Малышкин В.Г., Цыбин О.Ю. Спектры комбинационного рассеяния в диапазоне 75-1200 cm-1 аминокислот L-триптофана, дифенил-L-аланина и глицина в водном растворе и в дегидратированных пленках Физика твердого тела, Том 66, Вып. 8, с. 1445–1449 (год публикации - 2024)
10.61011/FTT.2024.08.58614.110

36. Алексеев А. А., Плешаков И.В., Бибик Е. E. Effect of Agglomeration of Nanoparticles in Ferrofluid Induced by a Focused Laser Beam IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, c. 419-421 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755670

37. Топильский К. С., Цыбин О.Ю. Emitter of Accelerated Neutral Atoms and Molecules with Ion-Electron Conversion for Terrestrial Testing And Modelling of Spacecraft IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, c. 425-428 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755583

38. Баранов М.А., Шариати Ф., Цыбин О.Ю. Dynamics of glycine, diphenylalanine, and tryptophan oligomers: computer simulation in an IR electric field with different forms and polarization Journal of Biomolecular Structure and Dynamics (год публикации - 2024)

39. Мусорин А.В., Цыбин О.Ю. ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ БИОМОЛЕКУЛЯРНЫХ КОМПОНЕНТОВ В МОДЕЛЯХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Сборник материалов Всероссийской конференции «Неделя науки ИЭиТ», 20 - 25 ноября 2024 года, Институт электроники и телекоммуникаций Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. (год публикации - 2024)

40. Шариати Ф., Баранов М.А., Цыбин О.Ю. Growing of Biomolecular Micro Particles and Surface Films with Ultrasound Activation of Solution IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, c. 364-367 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755653

41. Баранов М.А., Цыбин О.Ю. Сomputer Simulation of Alanine Oligomers in an IR Electric Field With Different Form and Polarization IEEE Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, с. 300-303 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755718

42. Цыбин О.Ю., Баранов М.А., Попов М.Е., Филиппов С.В., Колосько А.Г., Попов Е.О. Полевая электронная эмиссия из композитного слоя углеродных нанотрубок с аминокислотой Письма в журнал технический физики (Письма в ЖТФ) (год публикации - 2024)

43. Василюк Я.Д., Медведева Е.А., Баранов М.А. АНАЛИЗ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ СВОЙСТВ БИОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ПЛЕНОК ТРИПТОФАНА Сборник материалов Всероссийской конференции «Неделя науки ИЭиТ», 20 - 25 ноября 2024 года, Институт электроники и телекоммуникаций Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
К важнейшим новым результатам, полученным для биомолекулярных пленочных систем (БМПС) в 2024 году, относятся научные основы и обоснование электродинамической концепции; резонансные динамические режимы, выявленные комплексными исследованиями с помощью усовершенствованных методик, в том числе суперкомпьютерным моделированием [Dynamics of glycine, diphenylalanine, and tryptophan oligomers: computer simulation in an IR electric field with different form and polarization. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, в печати; Computer Simulation of Alanine Oligomers in an IR Electric Field with Different Form and Polarization, 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 300-303; Программа для мультипотоковой обработки данных моделирования молекулярной динамики. Свидетельство госрегистрации №2024685837, 2024]; определение сдвигов частот связанных колебаний БМПС на подложке методом спектроскопии комбинационного рассеяния [Спектры комбинационного рассеяния в диапазоне 75-1200 cm-1 аминокислот L-триптофана, дифенил-L-аланина и глицина в водном растворе и в дегидратированных пленках. ФТТ (2024) т. 66 №8 стр. 1445-1449]; научные основы и новые технологические реализации [Growing of Biomolecular Micro Particles and Surface Films with Ultrasound Activation of Solution, EExPolytech, Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 364-367]; теоретический анализ и компьютерная обработка структурных распределений [Structure of biomolecular films through advanced imaging and statistical analysis, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 702, Part 1, 2024, 134920]; дисперсионные взаимодействия наночастиц и пленок с поверхностью [Erratum: Casimir-Polder attraction and repulsion between nanoparticles and graphene in out-of-thermal-equilibrium conditions [Phys. Rev. B 105, 195430 (2022)] PHYSICAL REVIEW B 109, 079901(E), 2024; Correction: Klimchitskaya et al. Nonequilibrium Casimir–Polder Interaction between Nanoparticles and Substrates Coated with Gapped Graphene [Symmetry 2023, 15, 1580]. Symmetry 2024, 16, 274]; примерные схемы избранных прототипов устройств с биомолекулярными компонентами (БМК) [Полевая электронная эмиссия из композитного слоя углеродных нанотрубок с аминокислотой, Письма в ЖТФ, 2024; Effect of Agglomeration of Nanoparticles in Ferrofluid Induced by a Focused Laser Beam, EExPolytech, 2024, pp. 419-421; Emitter of Accelerated Neutral Atoms and Molecules with Ion-Electron Conversion for Terrestrial Testing And Modelling of Spacecraft, EExPolytech, 2024, pp. 425-428; Исследование эффекта тепловой линзы в магнитной жидкости с использованием методики двухлучевого лазерного просвечивания образцов; Высокочастотная электропроводимость биомолекулярных компонентов в модеялх микроэлектронных устройств, Анализ поляризационных свойств биомолекулярных пленок триптофана, в Сб. трудов Всероссийской конференции, Институт электроники и телекоммуникаций СПбПУ Петра Великого, 20 - 25 ноября 2024]. Важнейшим результатом можно считать выдвинутую и обоснованную электродинамическую концепцию БМПС, в которой важнейшим фактором определено управляющее воздействие электромагнитного поля с определенными видами модуляции и поляризации в СВЧ, ИК и видимом диапазонах на структуру, динамику и функциональные свойства БМК в микроэлектронных гетерогибридных устройствах. Разработаны оценки технологических процессов, основанные на факторе скорости формирования БМПС. Большинство известных и наиболее изученных технологий, в том числе изотермическая дегидратация, относится к медленным, квазиравновесным процессам. Процессы, в которых происходят быстрые фазовые переходы, далекие от равновесных, и создаются самоорганизованные упорядоченные структуры БМПС на подложке, изучены на данном этапе в новой технологической реализации с ультразвуковым активированием растворов биомолекул, быстрой трансформацией в газовую фазу и осаждением из газовой фазы на подложку. Принципиальным является фактор преобразования избыточной кинетической энергии во внутреннюю энергию частицы в момент осаждения, ведущий к хаотизации и последующей самоорганизации системы. Реализовано формирование БМПС в виде микро и нано вискеров, нитей, стержней и т.п., а также впервые в новом состоянии биомолекулярного вещества в виде самоорганизованных периодических ячеистых структур с периодом приблизительно 100-500 нм и кольцевых фрактальных кластеров диаметром около 50 – 100 мкм. Суперкомпьютерное моделирование впервые включало вычисления автокорреляционных функций амплитудно-временных реализаций электрических дипольных моментов (ЭДМ), получение путем Фурье преобразования этих функций характеристик внутримолекулярных свободных колебаний (нормальных мод), а также вынужденных локальных и коллективных колебаний при воздействии электрического поля различных видов модуляции и поляризации в дальнем и среднем инфракрасном диапазоне частот. Выявлены долгоживущие состояния аминокислот, олигомеров и пептидов с селективно возбужденным локальным колебанием ЭДМ, в которых спектральная плотность мощности колебаний в основном изолирована на резонансной частоте. Исследование БМПС, осуществленное методами спектроскопии комбинационного рассеяния, выявило характерные сдвиги частот, указывающие на связанные состояния с подложкой и их параметры. В результате построен новый динамический сценарий системы, включающий параметры собственных, вынужденных и связанных колебательных состояний, определяющий функции БМК в устройствах микроэлектроники. Разработанные ранее модели расширены на тонкие и сверхтонкие пленки с учетом дисперсионных сил, возникающих на характерных для тонких пленок расстояниях. Алгоритмы и программы для расчета свободной энергии и давления сил Казимира развиты как существенное дополнение характеристик взаимодействия наночастиц и пленок с поверхностью, указывающее на стабильность БМПС на различных подложках. В примерных схемах избранных прототипов гетерогибридной микроэлектроники составлено описание физических моделей, общих свойств, а также принципов встраивания БМК. Рассмотрены пленочные радиометры, сенсоры и фотодетекторы с внутренним интегрированием сигнала; ионизаторы и нейтрализаторы; дискретные и интегральные элементы микросхем; компоненты нейронных сетей, нейроморфных систем хранения и обработки данных, устройств наноплазмоники и нанофотоники. Для нанокомпозитных пленок с магнитными наночастицами выявлено воздействие лазерного облучения и магнитного поля, а в автоэлектронном микроскопе с нанокомпозитным катодом из углеродных нанотрубок с аминокислотами обнаружена эффективная эмиссия. Реализован образец прибора для получения и фундаментальных исследований самоорганизации биомолекулярных нано- и микро- частиц.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Создание нового научного и технологического оборудования для применения в фундаментальных физических исследованиях и в микроэлектронике