О своих исследованиях рассказали лауреаты стипендии Президента РФ
Победителями конкурса 2021–2023 годов на получение стипендии Президента РФ молодым учёным и аспирантам стали семь представителей Санкт-Петербургского государственного университета. Их проекты, связанные со стратегическими информационными технологиями, вопросами создания суперкомпьютеров и разработкой программного обеспечения, энергоэффективностью и энергосбережением, развитием медицинских технологий и диагностического оборудования, признаны наиболее перспективными и важными для развития современной науки.
В номинации «Стратегические информационные технологии, включая вопросы создания суперкомпьютеров и разработки программного обеспечения» отмечены проекты Дмитрия Мелешко (младший научный сотрудник, лаборатория «Центр биоинформатики и алгоритмической биотехнологии» СПбГУ) и Ивана Соловьёва (аспирант СПбГУ, физический факультет).
Проект Дмитрия Мелешко «Использование скрытых марковских моделей для улучшения геномной сборки и оценки видового разнообразия окружающей среды» получил особую актуальность с началом пандемии, когда учёным стало важно, насколько хорошо можно восстанавливать последовательности геномов коронавирусов из метагеномных данных. Оказалось, что несмотря на то, что геном коронавируса — сравнительно простой объект, собрать его целиком очень сложно, и количество фрагментированных геномов публично доступных данных очень велико.
В прошлом году мы начали расширять функционал геномного сборщика SPAdes, ранее созданного в нашей лаборатории для работы с профильными скрытыми марковскими моделями, описывающими аминокислотные последовательности консервативных участков вирусов. Алгоритмы, которые используют эти HMM, позволили восстанавливать значительно больше полных геномных последовательностей, чем альтернативные методы. Вопрос состоял в том, насколько сильно можно развить данный метод. Возможно ли использовать не только профильные марковские модели, но и другие типы моделей? Возможно ли им собрать геномы чего-нибудь кроме вирусов? Возможно ли собирать им геномы бактерий, а может и более сложных объектов? И самое главное, можно ли с помощью этого метода найти какие-нибудь новые виды вирусов или бактерий?
— сообщил Дмитрий Алексеевич.
Общеизвестно, что классическая электроника практически достигла своего физического предела. Поэтому ключевая задача современности — это развитие новых способов обработки и хранения информации
, — считает автор проекта «Нелинейная фотоника на основе полупроводниковых наногетероструктур» Иван Соловьёв. Основной целью его работы является изучение сложных нелинейных когерентных эффектов квантовой природы, наблюдаемых в наноообъектах при их взаимодействии с лазерными импульсами.
В Санкт-Петербургском университете для исследования таких эффектов коллективом кафедры фотоники и лаборатории оптики спина имени И.Н. Уральцева на базе ресурсного центра Нанофотоника была создана одна из самых сложных оптических установок! Исследования, проведённые на данной установке, показывают, что с помощью фотонов можно управлять квазичастицами экситонами в наноструктурах. Успешная реализация такого рода контроля экситонов позволит развить новые методики обработки информации, но уже чисто оптическим способом.
Лауреатами по направлению «Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе вопросы разработки новых видов топлива» стали Андрей Базлов (научный сотрудник, Исследовательская лаборатория механики перспективных массивных наноматериалов для инновационных инженерных приложений СПбГУ), Анатолий Верещагин (инженер-исследователь, Институт химии СПбГУ) и Евгения Хайруллина (ассистент, Институт химии СПбГУ).
В фокусе внимания Андрея Базлова находятся объёмные металлические стёкла, которые являются относительно новым классом материалов. Широкое применение этих материалов в промышленности, в частности, в качестве конструкционных материалов и деталей микро- электромеханических систем, на сегодняшний день затруднено многими технологическими факторами. В основном, наблюдаемые проблемы связаны с крайне низкой пластичностью данного класса материалов, невозможностью получения из них изделий сложной формы при комнатной температуре, а также нестабильностью структуры и свойств при нагреве.
Одной из уникальных особенностей металлических стёкол является способность проявлять близкое к Ньютоновскому течение в узком интервале повышенных температур — интервале переохлаждённой жидкости. Использование данной особенности для формирования изделий сложной формы ограничено узкими температурными и временными интервалами существования переохлаждённой жидкости. Нарушение технологических параметров деформации приводит к резкому охрупчиванию — при снижении температуры деформации, или к кристаллизации интерметаллидных соединений — при превышении температуры или времени деформации. При этом после охлаждения из вязкого состояния, уникальные свойства металлических стёкол сохраняются
, — рассказал Андрей Игоревич.
Главной задачей научного проекта Андрея Базлова «Исследование процессов деформации объёмных металлических стёкол в области переохлаждённой жидкости» является установление общих закономерностей вязкого течения объёмных металлических стёкол при повышенной температуре. Результаты исследований позволят в будущем формировать из заготовок простой формы (лист, пруток), полученных методами литья, изделия сложной формы с высокой прочностью и коррозионной стойкостью.
Разработка новых технологий в области запасания энергии лежит в основе научной проблемы проекта Анатолия Верещагина «Исследование редокс-проводящих полимеров для использования в экологически чистых энергозапасающих устройствах нового поколения». Последние разработки в области химии полимеров привели к возникновению идеи создания органических материалов для аккумуляторных систем. Их использование позволит постепенно перейти к экологически чистым, лёгким и более дешёвым органическим аккумуляторам. Проект, удостоенный стипендии Президента РФ, является частью комплексного исследования, ведущегося в научной группе профессора СПбГУ О.В. Левина совместно со Свободным университетом Берлина.
Проект посвящён исследованию фундаментальных аспектов функционирования новых редокс-проводящих материалов на основе полимеров, модифицированных нитроксил-содержащими группами. Такие материалы интересны тем, что объединяют в себе два класса энергоёмких органических соединений, каждому из которых присущ свой уникальный способ переноса электрического заряда. Разработка теоретических представлений, описывающих функционирование подобных сложных систем, может открыть доступ к тонкой настройке свойств органических материалов с целью получения компонентов аккумуляторов, подходящих для решения различных задач.
Проект включает в себя синтез, разработку теоретических моделей функционирования и масштабирование производства энергозапасающих органических материалов, что обеспечит связь между фундаментальными научными результатами и решением практически важных задач.
В настоящее время большинство обычных двумерных электронных устройств несовместимы со сложными изогнутыми объектами, например, такими как поверхность тела человека. Даже повсеместно распространённые фитнесс-браслеты и им подобные устройства выполнены с использованием жёстких схем.
Особый интерес вызывает создание устройств c неклассической гибкой архитектурой. Из таких материалов можно производить необходимое оборудование для перехода к персонализированной медицине: терапевтические сенсоры и устройства непрерывного мониторинга клинического состояния человека. Также гибкие и 3D электродные материалы находят применение для создания «умной» техники: сгибаемых дисплеев, устройств для мониторинга окружающей среды и качества продуктов питания, функциональных элементов мягкой робототехники
, — говорит автор проекта «Аддитивный лазерно-индуцированный синтез сенсорноактивных материалов на гибких и непланарных поверхностях» Евгения Хайруллина.
Предлагаемый в проекте лазерный метод синтеза проводящих материалов на поверхности различных диэлектриков обеспечивает экономичность и экологичность получения геометрически сложных структур. Синтез происходит по принципу письма, где лазер можно назвать ручкой. Таким образом, данный проект направлен на решение проблемы разработки аддитивных методов синтеза функциональных металлических и полиметаллических структур на непланарных и полимерных материалах.
Исследования Андрея Калиничева и Дарьи Макеевой (Институт химии СПбГУ) были отмечены в номинации «Медицинские технологии, прежде всего диагностическое оборудование, а также лекарственные средства».
Проект ассистента Андрея Калиничева «Разработка бескалибровочного анализатора на основе оптических сенсоров для многокомпонентного in situ анализа кислотно-щелочного состояния и электролитного состава пота человека» направлен на разработку недорогого миниатюрного тест-устройства для анализа основных ионных компонентов (электролитов) биологических жидкостей человека: ионов натрия, калия, кальция, хлора, рН. Предполагается, что устройство будет представлять собой пластырь, содержащий активные чувствительные зоны, цвет которых будет меняться в зависимости от содержания ионных компонентов по аналогии с лакмусовой бумажкой. В качестве анализируемой жидкости был выбран пот, поэтому планируется размещать такой пластырь в области активного потоотделения.
Для того чтобы получить результаты анализа разрабатывается специальный алгоритм, который сможет интерпретировать тест по фотографии пластыря, полученной со смартфона, то есть без использования сложных дорогостоящих приборов.
Одной из возможно заинтересованных групп лиц в применении данного экспресс-устройства являются спортсмены. Это связано с тем, что при длительных тренировках их организм теряет большое количество воды и электролитов, что может привести к ухудшению состояния и работоспособности. Контроль за состоянием человека, включающий такие важные характеристики как содержание электролитов и рН, будет способствовать предотвращению ситуаций, опасных для здоровья. Простота и экспрессность разрабатываемого тест-устройства позволит проводить внеклинический анализ самостоятельно в любом месте
, — полагает Андрей Владимирович.
Результаты проекта Дарьи Макеевой «Концентрирование и электрофоретическое определение белков, катехоламинов, карбоновых кислот и нуклеотидов с применением наноразмерных модификаторов» позволят сделать очередной шаг на пути к становлению капиллярного электрофореза методом, который сможет стать альтернативой хроматографическим методам в рутинном анализе.
С момента своего возникновения метод капиллярного электрофореза (КЭ) превратился в мощный инструмент диагностического биоаналитического анализа, благодаря своей экспрессности, низкой стоимости оборудования и отсутствию необходимости трудоёмкой пробоподготовки. Основной принцип метода — разделение заряженных соединений под действием электрического поля за счёт различий скорости их движения в проводящей жидкости, заполняющей кварцевый капилляр.
Однако на данный момент области применения капиллярного электрофореза весьма ограничены. Проект направлен на расширение аналитических возможностей метода КЭ за счёт использования наночастиц, которые, обладая уникально высокой удельной площадью поверхности, образуют устойчивые суспензии в воде и в большинстве используемых в КЭ фоновых электролитах, совместимы со многими органическими растворителями и МС-детектированием. Наночастицы могут быть использованы при создании покрытий стенок кварцевого капилляра, предотвращая сорбцию основных аналитов, способствуя повышению селективности и воспроизводимости электрофоретического разделения. Таким образом, применение наноматериалов как принципиально новый подход к электрофоретическому разделению аналитов и решение с их помощью важнейших проблем определения следовых количеств биологически активных соединений в образцах со сложной матрицей — главные тенденции развития метода.
При этом преимущества КЭ — недорогостоящее оборудование и минимальный расход токсичных растворителей. Планируется разработка методик определения биологически активных аналитов (белков, катехоламинов, карбоновых кислот и нуклеотидов) в образцах природного происхождения, что может быть использовано для контроля качества продуктов питания, а также диагностики различных заболеваний.