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 25-79-10050
НазваниеМультипараметрическая люминесцентная термометрия
Руководитель Колесников Илья Евгеньевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №111 - Конкурс 2025 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии
Ключевые слова наносенсоры, оптическая термометрия, люминесценция, редкоземельные ионы, оксиды металлов, порфирины, тепловая чувствительность, температурное разрешение, мультипараметрическая термометрия, множественная линейная регрессия, метод главных компонент, машинное обучение
Код ГРНТИ29.31.23
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Температура является одним из важнейших и наиболее часто измеряемых физических параметров во всех природных и инженерных системах от атомного до макроскопического уровней, так как она играет ключевую роль во многих физических, химических и биологических процессах. В традиционных термометрах для определения температуры необходим тепловой контакт между объектом и зондом. Однако из-за миниатюризации электронных устройств и растущего интереса к детальному изучению биологических объектов, в которых невозможно измерение температуры контактным методом, актуальной становится разработка бесконтактных температурных сенсоров с субмикронным пространственным разрешением. Наиболее перспективными бесконтактными термометрами являются оптические сенсоры, основанные на температурно-индуцированном изменении люминесцентных свойств, благодаря своей неинвазивности, быстрому отклику, высокому пространственному и температурному разрешению. Подавляющее большинство известных на данный момент люминесцентных сенсоров используют только один температурно-зависимый параметр для определения температуры (однопараметрическая термометрия), что ограничивает возможности улучшения их термометрических характеристик. В рамках данного проекта будет реализована мультипараметрическая люминесцентная термометрия, которая позволяет использовать одновременно несколько температурно-зависимых параметров для определения локальной температуры. Данная стратегия приведет к созданию более надежных люминесцентных термометров с улучшенными термометрическими характеристиками (тепловая чувствительность и температурное разрешение), что позволит преодолеть существующие ограничения однопараметрических тепловых сенсоров. Разработка мультипараметрических термометров будет осуществляться на базе синтезированных нанокристаллических материалов (оксидов и сложнооксидных соединений металлов различного состава, легированных одним и/или двумя типами редкоземельных ионов), а также органических соединений класса порфиринов. Для реализации предложенной в проекте стратегии мультипараметрической термометрии будут применены два разных подхода: множественная линейная регрессия и методы снижения размерности данных (метод главных компонент и метод частичных наименьших квадратов).
Для всех синтезированных соединений будут проведены комплексные исследования физико-химических (фазовый состав, размер и морфология частиц, фононный спектр) и функциональных (люминесценция, термометрия) свойств. Стационарные и кинетические люминесцентные свойства будут измерены в широком температурном диапазоне для создания температурных калибровок и расчета термометрических характеристик, включая тепловую чувствительность и температурное разрешение. Для нанокристаллических частиц простых и сложных оксидов металлов будет изучено влияние концентрации редкоземельных ионов на люминесцентные свойства и термометрические характеристики. В ходе проекта с помощью созданных мультипараметрических температурных сенсоров будут проведены тестовые испытания по измерению температуры микроэлектронных компонентов на печатной плате и объектов в биологической среде. В завершение проекта будет представлен сравнительный анализ разработанной мультипараметрической и классической однопараметрической стратегии люминесцентной термометрии с точки зрения термометрических характеристик.
Ожидаемые результаты
Основным результатом проекта станет разработка новой стратегии бесконтактного определения температуры – мультипараметрической люминесцентной термометрии, которая позволит существенно улучшить термометрические характеристики по сравнению с широко используемыми сейчас однопараметрическими люминесцентными тепловыми сенсорами. Для реализации мультипараметрической люминесцентной термометрии будут использованы разные подходы – множественная линейная регрессия и методы сокращения размерности данных. В качестве потенциальных кандидатов на роль мультипараметрических термометров будут рассмотрены нанокристаллические оксиды металлов (простые и сложные) различного состава, легированные одним и двумя типами редкоземельных ионов, а также органические соединения класса порфиринов. Для всех термометров будет проведено комплексное изучение физико-химических и функциональных свойств. Будет определено влияние концентрации легирования на люминесцентные свойства и термометрические характеристики нанокристаллических частиц, легированных ионами редкоземельных металлов. Будут выявлены все возможные температурно-зависимые люминесцентные параметры предлагаемых тепловых сенсоров для их дальнейшего совместного использования в мультипараметрической термометрии с помощью методов множественной линейной регрессии и сокращения размерности данных. На заключительном этапе реализации проекта будет проведен сравнительный анализ полученных термометрических характеристик (тепловой чувствительности и температурного разрешения) исследованных термометров с использованием однопараметрической и мультипараметрической стратегий. Возможность практического применения разработанной стратегии мультипараметрической люминесцентной термометрии будет продемонстрирована на примере решения двух важных прикладных задач: измерения температуры элементов печатной платы (микро-/наноэлектроника) и измерения температуры объектов в биологической среде (биология и медицина). Успешное решение данных модельных задач откроет перспективы для широкого применения мультипараметрических люминесцентных термометров с высокой тепловой чувствительностью и температурным разрешением.
Необходимо отметить, что предлагаемый проект носит междисциплинарный характер и объединяет несколько областей знаний, включая люминесцентную спектроскопию, неорганическую и органическую химию, материаловедение и основы машинного обучения. Полученные результаты будут иметь большую значимость в связи с новыми вызовами, связанными с миниатюризацией электронных и оптических устройств и переходом к высокотехнологичному здравоохранению, а именно созданием бесконтактных термометров для микро- и наноразмерных объектов. Подавляющее большинство представленных на сегодняшний день в литературе подходов в области бесконтактной люминесцентной термометрии основаны на использовании однопараметрических тепловых сенсоров, которые ограничены с точки зрения дальнейшего повышения их термометрических характеристик. Разработанные мультипараметрические люминесцентные термометры позволят существенно улучшить тепловую чувствительность и температурное разрешение. Полученные в рамках проекта результаты будут иметь фундаментальное значение для дальнейшего развития научной области бесконтактной люминесцентной термометрии как в России, так и за рубежом, а также будут представлять практический интерес для широкого круга технологических приложений от биологии и медицины (определение межклеточной и внутриклеточной температур, контроль температуры при фототермической терапии) до катализа и энергетики (определение температуры в проточном реакторе для гетерогенного катализа, в сильных электромагнитных полях, быстродвижущихся объектов).