Серия «Разработки»

Учёные Университета МИСИС предложили новые способы моделирования запутанных многочастичных квантовых систем с большим числом состояний. Ранее считалось, что вычислительной мощности классических компьютеров не хватит для подобных расчётов в случае больших систем. На помощь пришли квантовые процессоры и многоуровневые квантовые носители информации — кудиты.

Чтобы моделировать работу сложных структур, где одновременно взаимодействует множество частиц, необходимы квантовые вычисления. Они перспективны для создания сверхпроводников, новых типов электронных устройств, а также для изучения магнетизма и поведения материалов в экстремальных условиях. Один из наиболее часто используемых подходов в статистической физике для такой работы — модель Поттса, обобщение модели Изинга.

При увеличении в расчётах числа частиц и уровней, вычислительной мощности классических компьютеров не хватает, поэтому на помощь приходит квантовое моделирование. Но при кодировании с помощью двухуровневых квантовых систем, кубитов, неизбежно возникают дополнительные корреляции, что увеличивает вычислительные затраты.

Исследователи НИТУ МИСИС предложили новые способы моделирования систем, где взаимодействуют многоуровневые квантовые системы. Физики разработали новый квантовый алгоритм и два варианта разложения сложной квантовой динамики на набор простых операций, которые можно выполнить с помощью уже существующих кудитных квантовых процессоров. Один подход использует вентиль Мёльмера—Соренсена для ионных квантовых компьютеров и дополнительный вспомогательный уровень, а второй — вентиль на световом сдвиге. С подробностями работы можно ознакомиться в научном журнале Entropy (Q2).

«Мы показали, что использование многоуровневых квантовых систем позволяет напрямую и более эффективно моделировать сложные квантовые процессы без необходимости упрощать их до двухуровневых кубитных моделей. Оба предложенных нами подхода позволяют представить модель Поттса в виде последовательности операций, пригодных для квантовых процессоров на основе ионных ловушек», — рассказал инженер лаборатории квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Максим Гавреев.

Учёные предложили конкретные схемы как для одиночных кудитов, так и для взаимодействующих пар. Используя метод Сузуки—Троттера, они разложили динамику квантовой системы на набор простых логических элементов — квантовых вентилей, которые последовательно преобразуют состояния системы по заданным правилам, что позволяет воспроизводить её динамику на реальных квантовых устройствах. Также подход позволяет выявлять динамические квантовые фазовые переходы — резкие изменения в поведении системы со временем.

«Наши результаты открывают путь к более компактной и точной реализации квантовых симуляций на существующих платформах, что особенно значимо для развития квантовых технологий в ближайшие годы. Важно отметить, что мы предложили оригинальный квантовый алгоритм на основе кудитов», — отметил к.ф.-м.н. Алексей Фёдоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС.

Исследование выполнено в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030». При поддержке гранта РНФ № 24-71-00084 был разработан новый подход к выбору кудитных операций.

Российские учёные повысили устойчивость перовскитных солнечных элементов к нагреву, внедрив в материал специальные органические молекулы (TPA-Py), которые стабилизируют его структуру. Время эффективной работы устройств при высокой температуре 80°С увеличилось с 260 до 700+ часов. Это важный шаг к созданию доступных и долговечных солнечных панелей нового поколения.

«В Университете МИСИС по госпрограмме „Приоритет-2030“ реализуется стратегический технологический проект „Энергия материалов“: научный коллектив под руководством молодого талантливого доктора технических наук Данилы Саранина разрабатывает технологии и материалы для альтернативной энергетики, ведёт изыскания в области увеличения срока эксплуатации и коэффициента полезного действия солнечных элементов нового поколения. Исследователи повысили устойчивость перовскита к нагреву с помощью добавления в структуру материала трифениламин-пиридиновых молекул: благодаря этому время эффективной работы устройств увеличилось почти в 3 раза. Предложенный метод может стать одним из ключевых для последующего масштабирования солнечных панелей», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.

На сегодняшний день перовскитные солнечные элементы значительно превосходит кремниевые аналоги по эффективности в пасмурную погоду или при искусственном освещении. Однако широкое внедрение таких панелей пока ограничено, так как под воздействием негативных факторов окружающей среды тонкие плёнки быстро разрушаются.

Одна из актуальных задач учёных-материаловедов — увеличить срок службы перовскитных модулей при высокой температуре, которая значительно ускоряет коррозию металлических контактов и образование структурных дефектов. Существующие методы стабилизации — например, поверхностная пассивация — часто работают только в мягких, близких к комнатной температуре условиях, но оказываются недостаточно эффективными при стандартных рабочих температурах солнечных панелей — 80-100°C.

Для решения этой проблемы учёные НИТУ МИСИС совместно с коллегами из Института синтетических полимерных материалов РАН предложили эффективный способ защитить перовскитный модуль от разрушения при нагреве. Исследователи добавили в материал специальные органические молекулы, которые формируют тонкие плёнки непосредственно в структуре перовскита. Они стабилизируют материал изнутри, защищая интерфейсы между слоями устройства, и замедляют возникновение дефектов.

«Добавленные нами трифениламин-пиридиновые молекулы устроены так, что одна их часть отдаёт электроны, а другая — притягивает. Благодаря этому они хорошо взаимодействуют с перовскитом и создают внутри материала небольшие электрические поля, которые меняют энергитические уровни на границах кристаллов. Это снижает потери энергии и повышает выходное напряжение до 1,14 В. Молекулы увеличивают энергию активации диффузии критических дефектов, что увеличило время эффективной работы солнечного элемента более чем в 3 раза при температуре 80°С», — рассказала инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Екатерина Ильичева.

Новые молекулы блокируют перемещение ионов внутри материала — один из главных факторов разрушения/распада перовскитов со временем. Благодаря этому срок стабильной работы при температуре 80°C увеличился почти в три раза. С подробностями исследования можно ознакомиться в журнале Solar RRL (Q1).

«Термическая деградация оставалась главным барьером на пути коммерциализации перовскитных солнечных элементов. Наша стратегия объёмной пассивации с помощью молекулы TPA-Py не только сохраняет высокую эффективность, но и радикально повышает устойчивость устройств к реальным условиям эксплуатации», — объяснил инженер научного проекта лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Лев Лучников.

Работа выполнена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Энергия материалов» по программе «Приоритет-2030», а также поддержана грантом РНФ № 22-19-00812-P.

Исследователи НИТУ МИСИС синтезировали мезопористые наночастицы феррита кобальта, которые поглощают различные органические красители в зависимости от размера пор. Разработка открывает новые возможности для очистки промышленных сточных вод без дополнительной химической модификации сорбента. Важная особенность материала — он не теряет эффективности после множества циклов использования.

Органические красители — один из наиболее распространённых классов загрязнителей водных сред. Они поступают в сточные воды текстильных, фармацевтических и химических производств и с трудом поддаются традиционным методам очистки. Существующие магнитные наноадсорбенты требуют химической обработки поверхности наночастиц для эффективного связывания загрязнителей: такие покрытия ограничивают спектр улавливаемых веществ, усложняют эксплуатацию систем очистки и последующую регенерацию сорбента.

Учёные НИТУ МИСИС и РНИМУ им. Н. И. Пирогова доказали, что модификация поверхности наночастиц необязательна. Достаточно правильно выстроить их внутреннюю структуру — именно она определяет, какой краситель и каким способом будет поглощён.

Учёные синтезировали стержневые наночастицы феррита кобальта — крошечные магнитные палочки, пронизанные порами двух типов: мелкими (до 10 нм) и крупными (до 50 нм). Соотношение пор регулировали скоростью нагрева при обжиге матрицы, из которой затем получались наночастицы: чем медленнее, тем больше мелких пор. После очистки воды наночастицы из неё можно моментально извлечь обычным магнитом.

Чтобы понять, как поры влияют на поглощение, исследователи добавили наночастицы в растворы с тремя красителями: метиленовым синим, метиловым оранжевым и эриохромом синим.

«Эти три красителя выбраны не случайно — все они широко используются в промышленности и регулярно попадают в сточные воды. Метиленовый синий применяется в медицине, а также для окраски хлопка, шерсти и шёлка. Как продукт анилинового производства, он может в больших концентрациях загрязнять водные ресурсы в регионах химической промышленности. Метиловый оранжевый используют в химической и текстильной промышленности. Это токсичное вещество, которое опасно при вдыхании, проглатывании и впитывании в кожу. Эриохром синий применяют в текстильной промышленности для окрашивания тканей. Всех их объединяет то, что они крайне медленно разлагаются в природной среде и плохо поддаются стандартным методам очистки. Именно поэтому, попав в воду, они там остаются на долгое время. Однако наша разработка справились с каждым из них», — сказал Алексей Никитин.

Неожиданный результат продемонстрировал эриохром синий: при контакте с наночастицами он слипался в крупные комки размером в несколько сотен нанометров. При низкой концентрации краситель хорошо поглощался, но при высокой агрегаты уходили обратно в раствор. Такое поведение для этого класса красителей зафиксировано впервые. Подробные результаты — в научном журнале Journal of Colloid and Interface Science (Q1).

«Разработка меняет сложившееся представление о том, что главное в сорбенте — это химия поверхности. Архитектура пор играет не менее важную роль. В будущем предприятия смогут использовать сорбенты, настроенные на конкретные загрязнители, что проще, дешевле и надёжнее в реальных условиях производства. Кроме того, красители имеют разное строение молекул и, попадая в воду, приобретают разный заряд, благодаря чему они — удобная платформа для изучения процессов адсорбции», — сказал д.х.н. Максим Абакумов, заведующий лабораторией «Биомедицинские наноматериалы» НИТУ МИСИС.

Исследование выполнено в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Биомедицинская инженерия и биоматериалы» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».

Учёные НИТУ МИСИС запатентовали технологию нанесения на имплантаты и протезы покрытий из коллагена — белка, благодаря которому изделие лучше приживается в организме. В отличие от существующих методов, новый способ не требует ни специальной обработки поверхности имплантата, ни потенциально опасных химических добавок.

Каждый год тысячам людей устанавливают искусственные суставы, зубные имплантаты, сердечные клапаны и стенты для сосудов. Все эти изделия делают из металла или пластика — материалов, которые организм воспринимает как чужеродные. Иммунная система зачастую запускает процесс воспаления, а вокруг имплантата начинает нарастать плотная рубцовая ткань, из-за чего человеку может потребоваться повторная операция. Один из способов решить эту проблему — покрыть поверхность имплантата коллагеном. Организм воспринимает коллаген как знакомое вещество, поэтому покрытые им имплантаты приживаются легче.

«Проблема в том, что существующие способы нанесения коллагена сложные и не всегда надёжные. Чаще всего перед нанесением покрытия поверхность импланта нужно специально подготовить — например, обработать её ионизированным газом в дорогостоящей вакуумной установке. Без такой подготовки коллаген плохо соединяется с поверхностью и ложится неровно, островками, а не сплошным слоем — как старая краска. Некоторые методы дополнительно используют токсичные химические вещества, которые скрепляют коллаген с поверхностью, но сами по себе вредны для тканей организма. Ещё один подход состоит из множества этапов — растворения, смешивания, прокрутки в центрифуге, промывки, — из-за чего увеличивается риск ошибки, а сама обработка занимает много времени», — сказала Елизавета Кудан.

Для решения этой задачи учёные НИТУ МИСИС предложили технологию нанесения коллагена, который полностью исключает самый сложный этап — подготовку поверхности импланта. Разработка представляет собой готовый набор для покрытия имплантатов, который можно использовать прямо в больнице или операционной, не обращаясь к лабораторному оборудованию. В него входят все необходимые компоненты в нужных пропорциях: порошок или лиофилизат коллагена, органическая кислота, щёлочь и раствор-стабилизатор, а также инструкция.

«Сам процесс нанесения покрытия состоит всего из трёх шагов. На первом этапе лиофилизат коллагена растворяют в кислоте слабой или средней силы до получения однородной вязкой системы. Затем имплантат погружают в полученный раствор, обеспечивая равномерное распределение белка по его поверхности. На втором этапе изделие кратковременно выдерживают в щелочном растворе, что вызывает нейтрализацию кислой среды, снижение растворимости коллагена и формирование закрепленного белкового слоя. На заключительном этапе имплантат инкубируют в стабилизирующем растворе, что способствует образованию коллагеновых фибрилл и формированию структурно устойчивого покрытия. Для получения требуемой толщины и равномерности покрытия цикл нанесения, нейтрализации и стабилизации может быть повторен несколько раз», — сказала соавтор патента Василина Захарова.

В большинстве других методов коллаген удерживается на поверхности за счёт химических связей, а для их образования поверхность имплантата нужно заранее активировать, например плазмой. С новой технологией белок удерживается всего лишь с помощью быстрого затвердевания. Учёные экспериментально подтвердили, что отсутствие предварительной обработки поверхности имплантата не влияет на качество покрытия.

Российские исследователи выяснили, что по изменениям «свечения» пигмента в клетках сетчатки можно выявлять их повреждение на ранних стадиях, задолго до появления серьёзных нарушений зрения. Учёные также показали, как антиоксиданты замедляют эти процессы, снижая содержание токсичных продуктов фотоповреждения.

Заболевания сетчатки, включая возрастную макулярную дегенерацию, часто обнаруживаются на поздних стадиях, когда восстановить зрение уже нельзя. Одна из причин — ограниченные возможности существующих методов диагностики: они фиксируют структурные изменения, но не ранние функциональные сбои в клетках.

«Исследователи Университета науки и технологий МИСИС на протяжении ряда лет занимаются созданием инновационных технологий, которые в будущем позволят упростить постановку диагноза и лечение различных заболеваний. Разработанный в вузе метод диагностики патологий сетчатки глаза по „свечению“ клеток станет важным инструментом для выявления заболеваний и оценки эффективности проводимой терапии», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.

Учёные из НИТУ МИСИС, МГУ имени М.В. Ломоносова, МПГУ, МФТИ, Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова изучили липофусцин — пигмент, который с возрастом накапливается в клетках ретинального пигментного эпителия. Он способен люминесцировать под воздействием света, и по его характеристикам можно судить о состоянии глаза. Важной особенностью липофусцина является его фототоксичность: при облучении видимым светом он может генерировать активные формы кислорода и токсичные продукты окисления, вызывающие выраженный окислительный стресс. Исследование этих процессов важно для понимания механизмов повреждения сетчатки и диагностики возрастных дегенеративных изменений. Большую роль здесь играет способность липофусцина к автофлуоресценции. Измерение параметров его «свечения» является важным инструментом ранней диагностики заболеваний глаза.

До сих пор было недостаточно данных о том, как именно меняется состав липофусцина при фотоповреждении и как это отражается на сигнале «свечения». Российские исследователи впервые с помощью метода визуализации времени жизни флуоресценции проследили на клеточном уровне, как липофусцин изменяется при фотоокислении внутри клеток пигментного эпителия.

Эксперименты показали, что по мере фотоокисления меняется не только состав липофусцина, но и характер его «свечения»: в частности, увеличивается время жизни флуоресценции. Это, по-видимому, связано с тем, что исходные молекулярные компоненты липофусцина окисляются и частично разрушаются, а продукты их превращений обладают другими флуоресцентными свойствами.

«Важно, что эти изменения нам удалось зафиксировать без введения дополнительных меток или вмешательства в клетку. Проведение подобных измерений стало возможным благодаря визуализации по времени жизни флуоресценции. Это современный метод микроскопии, основанный на измерении времени жизни возбуждённого состояния молекул, что позволяет получать дополнительную диагностическую информацию о состоянии тканей», — сказал к.б.н. Алексей Семёнов, научный сотрудник лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС.

Также учёные изучили роль антиоксидантов в подавлении фототоксического действия липофусцина. В эксперименте исследовали каротиноидный белок AstaP, выделенный из микроводорослей Coelastrella astaxanthina и способный доставлять зеаксантин — природное вещество, защищающее клетки от окислительного стресса. Выяснилось, что комплекс AstaP с зеаксантином замедляет разрушение липофусцина: снижается образование окисленных продуктов и не происходит полного повреждения пигмента. Подробности исследования описаны в научном журнале Journal of Physical Chemistry B (Q1).

«Чтобы повысить чувствительность и скорость измерений, на следующем этапе мы планируем использовать разработанные нами квантовые сенсоры — сверхпроводниковые однофотонные детекторы», — поделился планами главный научный сотрудник лаборатории квантовых коммуникаций Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС Григорий Гольцман.

Работа выполнена по программе привлечения талантливых молодых ученых в возрасте до 39 лет (постдоков) в рамках «Приоритет-2030» (грант № К4-2024-3).

Российские исследователи создали инновационную многофункциональную молекулу, способную нейтрализовать избыток ионов меди в тканях мозга — один из ключевых факторов, ускоряющих развитие болезни Альцгеймера — и одновременно подсвечивать патологические белковые скопления в мозге, характерные для заболевания. Разработка сочетает диагностические и терапевтические функции: позволяет выявлять патологические признаки, свидетельствующие о развитии болезни, и воздействует сразу на несколько механизмов её развития.

Болезнь Альцгеймера — наиболее распространённое нейродегенеративное заболевание, эффективной терапии которого до сих пор не существует. Одна из причин заключается в сложности его патологического процесса, для которого характерны нарушение обмена ионов металлов, образование токсичных белковых скоплений, а также воспаление и окислительный стресс клеток. Большинство существующих препаратов воздействует лишь на один из этих факторов, поэтому большой интерес вызывают многофункциональные соединения, способные одновременно выполнять диагностические и терапевтические функции.

Учёные из Университета МИСИС, МГУ им. М.В. Ломоносова и Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН синтезировали новую многоцелевую молекулу, объединившую два функциональных блока: светящийся сенсор на основе специального красителя и лекарственное вещество клиохинол.

Александр Ерофеев объясняет: «Первый компонент работает как детектор. Попадая в среду с токсичным бета-амилоидом, он кратно увеличивает флуоресценцию за счет так называемого эффекта скрученного внутримолекулярного переноса заряда. Иными словами, молекула светится ярче в 3-5 раз именно там, где находятся бляшки, что делает возможным обнаружение патологических скоплений оптическими методами. Второй компонент при этом связывает ионы меди — избыток этого металла в мозге считается одним из факторов, провоцирующих повреждение нервных клеток».

Гибрид показал более мощное связывание ионов меди, выраженную способность разрушать амилоидные бляшки, антиоксидантную активность и, что важно, способность защищать нейроны от токсичности бета-амилоидов. Испытания in vitro также подтвердили, что новая молекула нетоксична для здоровых клеток мозга. Подробные результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences (Q1).

«Мы показали, что объединение двух известных молекулярных платформ позволяет получить выраженный синергетический эффект. Наше исследование в перспективе открывает путь для создания таргетных препаратов в терапии болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний», — подчеркнула Ольга Красновская.

Следующий этап — оптимизация структуры молекулы для повышения её способности проникать через гематоэнцефалический барьер мозга, а также дальнейшие доклинические испытания. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (грант № 075-15-2024-530).

По словам ректора НИТУ МИСИС Алевтины Черниковой, в рамках стратегического технологического проекта «Биомедицинская инженерия и биоматериалы», реализуемого в университете по госпрограмме «Приоритет-2030», ученые на протяжении ряда лет ведут исследования, которые позволяют значительно облегчить терапию различных заболеваний и улучшить качество жизни пациентов.

Исследователи НИТУ МИСИС разработали алгоритм для машинного обучения, который помогает точнее классифицировать данные в квантовых компьютерах. Вместо стандартных для квантовых вычислений кубитов, новый метод использует кудиты — квантовые элементы с несколькими уровнями состояний. Они выполняют сложные квантовые операции за меньшее количество шагов, что значительно упрощает вычисления и даёт специалистам больше свободы в представлении и кодировании информации.

Алгоритм опорных векторов — одна из базовых моделей классификации, которую обычно используют для распознавания изображений и цифр, а также в таких проектах машинного обучения, которые занимаются распознаванием раковых опухолей и разработкой новых лекарств.

«В предложенной модели информационный массив кодируют с использованием кудитов, то есть в квантовых состояниях с числом уровней больше двух, что позволяет обрабатывать больший объём информации, не наращивая число физических носителей. Работа приближает практическое применение квантовых компьютеров в задачах машинного обучения», — отметил директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС Алексей Фёдоров.

Согласно принципу работы алгоритма, кудиты переносят данные в многомерное пространство, где они впоследствии легко разделяются и классифицируются.

«Сначала на квантовое состояние кудита по очереди действуют квантовые вентили, в которых закодированы классические данные. После чего выполняют измерения всех регистров и на выходе получают обычную битовую строку — последовательность нулей и единиц. Наибольшая точность классификации данных была достигнута при 1024 итерациях цепочки из квантовых вентилей», — рассказывает Елизавета Глазкова.

Полученный алгоритм учёные Университета МИСИС и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН уже применяют в совместной работе по сегментации интерфейсов функциональных тонких пленок для перспективной микроэлектроники.

Подробности исследования опубликованы в научном журнале Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. Работа выполнена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».