Оренбургский государственный университет

1.5. Лазероиндуцированные процессы в природных и синтезированных наноструктурах

Основатель и руководитель научного направления — Кучеренко Михаил Геннадьевич, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры радиофизики и электроники, директор Центра лазерной и информационной биофизики (ЦЛИБФ), почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации.

Основные области исследований:

• фотоника органических молекулярных и гибридных наноструктур;
• процессы с участием электронно-возбужденных молекул в частично организованных системах, на поверхности раздела фаз, в молекулярных монослоях и пленках, в мицеллярных растворах, фуллеренах и углеродных нанотрубках, растворах макромолекул;
• спектрохронография сложных молекул и молекулярных комплексов, оптические методы детектирования (включая голографию) временного развития фотопроцессов в молекулярных наноструктурированных системах;
• нелинейные фотопроцессы в дисперсных системах и наноструктурах;
• компьютерное моделирование кинетики фотореакций с учетом пространственных корреляций межчастичного распределения реагентов и особенностей их миграции;
• компьютерное моделирование молекулярных процессов и расчет структуры молекулярных комплексов методами молекулярной динамики и квантовой химии;
• моделирование спин-селективных процессов аннигиляции и кросс-аннигиляции электронных возбуждений, локализованных в наноструктурах и помещенных во внешнее магнитное поле; развитие теории RYDMR-спектроскопии;
• наноплазмоника гибридных систем; квантовые аспекты плазмонных колебаний и вырожденности электронного газа металлических нанокомпозитов;
• фотоиндуцированные процессы в молекулярных наноструктурах, перспективные для молекулярной наноэлектроники и создания молекулярно-оптических датчиков и систем;
• разработка фундаментальных основ сканирующей ближнепольной микроскопии сверхвысокого разрешения с использованием эффекта FRET и усиления сигналов за счет плазмонного резонанса;
• разработка методов создания наноструктур и наносистем для датчиков молекулярного кислорода, обладающих повышенным порогом чувствительности и высокоселективными характеристиками для проведения бесконтактных измерений концентрации основной (триплетной) и метастабильной электронно-возбужденной (синглетной) форм молекулярного кислорода в широком диапазоне значений в газовой атмосфере, над поверхностью твердого или жидкого технологического объекта, а также в жидких растворах, включая физиологические;
• создание базовых функциональных наносистем, на основе гетерокомпозитов с окрашенными макромолекулярными цепями, молекулами поверхностно-активных, а также мезогенных веществ, подвергнутых воздействию лазерного импульса (импульсов) с определенными амплитудными, временными и частотными характеристиками;
• лазерная генерация систем с замагниченными металлическими наночастицами в активной среде.

Основные научные и производственные результаты:

• Установлены особенности протекания молекулярных фотореакций в кинетически нелинейных системах и restricted geometry systems; разработаны математические модели для описания специфической кинетики бимолекулярных фотоинициированных реакций в конденсированных молекулярных системах и наноструктурах.
• Показано, что несмотря на разветвленный характер молекулярных фотореакций, протекающих в наноструктурах (в полостях пористых материалов и вблизи наночастиц — композитов), совокупный процесс формирования информационного сигнала люминесценции, чувствительного к наличию молекулярного кислорода в системе, может быть формализован на основе строгой математической модели, позволяющей осуществлять количественную обработку результатов спектрально-кинетических измерений.
• Разработана специальная люминесцентно-кинетическая методика определения концентрации молекулярного кислорода в основном и метастабильном возбужденном электронном состоянии. В ее основе лежат установленные связи между измеряемыми параметрами регистрируемых сигналов люминесцентных зондов в специально синтезированных наноструктурах и количеством (концентрацией) молекул кислорода в исследуемом объекте.
• В перечне недавно полученных результатов — эффект увеличения скорости межмолекулярного безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения вблизи плоской границы проводника и в окрестности металлических наночастиц различной формы (Kucherenko M.G., Chmereva T.M., and Kislov D.A. Energy Transfer in Molecular Systems at the Surface of Metal Solids and Nanoparticles = Кучеренко М.Г., Чмерева Т.М., Кислов Д.А. Перенос энергии в молекулярных системах вблизи поверхностей металлических тел и наночастиц).
• Исследован безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения между молекулами, размещенными вблизи поверхности проводящих наночастиц и нанокомпозитов, с учетом вырожденности электронного газа металла (Ag, Au, Cu). Установлены механизмы плазмонного увеличения скорости фотопроцессов вблизи металлических наночастиц различной формы.
• Созданы математические модели плазмон-индуцированного переноса энергии электронного возбуждения между молекулами, расположенными вблизи металлических наночастиц, нанокомпозитов и их кластеров.
• Разработана методика лазерного управления молекулярными фотопроцессами в конденсированной фазе посредством локального термоинициирования реакций и селективного изменения населенности возбужденных состояний.
• Исследованы механизмы записи и распада комбинированных голографических решеток в полимерных пленках с лазерным управлением их характеристиками, разрабатываются новые методы голографической записи информации на динамическом носителе.
• На основе специально созданных квантовомеханических моделей и экспериментально изучены особенности изменения магниточувствительности и эффективности спин-селективных молекулярных фотопроцессов в пористых наноструктурированных адсорбентах и коллоидных растворах.
• Предложена математическая модель плазмонной поддержки биохимической реакции. Рассмотрена инициация электронного перехода между адиабатическими термами фермент-субстратного комплекса (ESC) в результате поглощения плазмона, с последующим диффузионным движением по термам ESC.
• Исследована проблема магнитного управления порогом генерации лазера посредством внедрения в активную среду замагниченных наночастиц металла. Представлена математическая модель одномодового лазера с трехуровневыми атомами активной среды и сферическими плазмонными рефлекторами.
• Получены аналитические выражения для порога лазерной генерации с характерными зависимостями от индукции магнитного поля для проводящих диамагнитных частиц.

Основные научные проекты

• Плазмонные характеристики слоистых нанокомпозитных частиц со структурой «ядро — оболочка», многочастичных кластеров и пространственных решеток на их основе (госзадание Минобрнауки РФ № 3.7758.2017/БЧ, руководитель Кучеренко М.Г., 2017–2019).
• Исследование адсорбции полиамфолитных полипептидов на поверхности поляризованной металлической наночастицы (грант РФФИ и Оренбургской области № 19-43-560003р_а, руководитель Кручинин Н.Ю., 2019–2020).
• Инактивация патогенных микроорганизмов и деструкция бактериальных пленок в реакциях с участием высоковозбужденных состояний фотосенсибилизаторов (госзадание Минобрнауки РФ № FSGU-2020-0003, руководитель группы Кучеренко М.Г., 2020–2022).
• Альтернативные физико-химические методы инактивации патогенных микроорганизмов. № FSGU-2023-0003. Руководитель проф. Летута С.Н.
• Конструирование, синтез и применение микро- и ультрадисперсных материалов в сельском хозяйстве. Грант на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технического развития № 075-15-2024-550. Руководитель проф. Мирошников С.А.
• Лазероиндуцированные процессы в гибридных экситон-плазмонных и магнитоплазмонных наносистемах. № 121102600066-1. Руководитель проф. Кучеренко М.Г.

Персональный состав коллектива:

1. Кучеренко Михаил Геннадьевич, д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор каф. радиофизики и электроники, директор ЦЛИБФ, внс
2. Кручинин Никита Юрьевич, д-р физ.-мат. наук, доцент кафедры радиофизики и электроники, снс
3. Чмерева Татьяна Михайловна, д-р физ.-мат. наук, доцент, профессор каф. радиофизики и электроники, снс
4. Русинов Александр Петрович, канд. физ.-мат. наук, доцент, зав. каф. радиофизики и электроники, нс
5. Налбандян Виктор Меружанович, канд. физ.-мат. наук, доцент каф. радиофизики и электроники, нс
6. Пеньков Сергей Александрович, канд. физ.-мат. наук, вед. инженер кафедры радиофизики и электроники, нс
7. Степанов Владимир Николаевич, канд. физ.-мат. наук, доцент, доцент кафедры радиофизики и электроники, нс
8. Неясов Петр Петрович, зав. лаб. ИМНТ, ст. преп. каф. физики и методики преподавания физики
9. Алимбеков Ильдар Ринатович, н.с. ИМНТ, ст. преп. каф. физики и методики преподавания физики
10. Мушин Федор Юрьевич, мнс
11. Шихавцов Максим Андреевич, студент гр. 21РФ

Основные данные о деятельности за период с 2020 по 2024 г.:

Монографии и учебные пособия:

1. Кучеренко, М.Г. Молекулярные процессы в растворах и наноструктурах. Постановка и решение задач кинетики статических и диффузионно-ускоренных реакций / М.Г. Кучеренко. — Оренбург : Южный Урал, 2020. — 260 с.
2. Кучеренко, М.Г. Формализм функций Грина. Решение задач оптики ближнего поля, наноплазмоники и молекулярной кинетики / М.Г. Кучеренко. — Оренбург : ОГУ, 2022. — 250 с. — ISBN 978-5-7410-2877-3. — Загл. с тит. экрана.
3. Кучеренко, М.Г. Голографические методы исследования молекулярных процессов и динамики конденсированных сред : монография / М.Г. Кучеренко, А.П. Русинов. — Оренбург : ОГУ, 2023. — 157 с. — ISBN 978-5-7410-3086-8
4. Чмерева, Т.М. Квантование поверхностных плазмонов в наноструктурах / Т.М. Чмерева. — Оренбург : ОГУ, 2023. — 108 с. — ISBN 978-5-7410-2996-1.

Под руководством руководителя научного направления защищены 2 докторские и 10 кандидатских диссертаций.

Защиты диссертаций 2024 г.:

1. Кручинин Никита Юрьевич. Формирование структуры и конформационная динамика полимерных цепей на поверхности адсорбентов, включая поверхности нанотел. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова. МГУ.013.03 (председатель совета академик РАН А.Р. Хохлов). Специальность 1.3.8 — физика конденсированного состояния. (Докторская диссертация.) Научный консультант: проф. Кучеренко М.Г.
2. Пеньков Сергей Александрович. Магниточувствительные люминесцентные процессы с участием триплетных молекул и экситонов в наноструктурах. Специальность 1.3.6 — Оптика. Диссертационный совет ФТИ 34.01.03 при федеральном государственном бюджетном учреждении науки ФТИ им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург. Научный руководитель: проф. Кучеренко М.Г.

Контактная информация:

460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ОГУ,

Центр лазерной и информационной биофизики; кафедра радиофизики и электроники.

Тел.: (35-32) 37-24-57, 37-28-40 (ЦЛИБФ, каф. радиофизики и электроники), Кучеренко М.Г.

E-mail: rphys@mail.osu.ru; clibph@yandex.ru.