Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем ім. І.Р. Юхновського НАН України у 2025 році

Постійні пошуки покращених лігандів для нанокристалів перовскіту галогеніду свинцю спричинені їх величезним потенціалом як класичних та квантових джерел світла. Представлено структурно-різноманітну бібліотеку довголанцюгових триалкілсульфонієвих лігандів, які забезпечують надійну поверхневу інактивацію нанокристалів CsPbBr₃ та MAPbBr₃, досягаючи квантових виходів фотолюмінесценції, що наближаються до 90% для катіонних та перевищують 90% для цвітер-іонних лігандів. Класичне моделювання методом молекулярної динаміки із силовими полями класифікує головну групу триалкілсульфонієвого ліганду як близький аналог часто використовуваної четвертинної амонієвої головної групи з точки зору її зв'язування з поверхнею перовскіту. При порівнянні триалкілсульфонієвих лігандів, що відрізняються кількістю та положеннями довгих алкільних ланцюгів, виявлено, що конформаційна гнучкість ліганду відіграє домінуючу роль у визначенні міцності зв'язування ліганду, перевершуючи вплив геометрії головної групи або групи заміщення. Керуючись цим фундаментальним розумінням, розроблено цвітер-іонні ліганди сульфонію сульфонату, які утворюють стійкі колоїди, а також за умов екстремального розведення. Отримані наночастинки демонструють понижену частоту блимання (частка часу ввімкнення ~85%) та високу чистоту окремих фотонів (g²(0) = 0.12). Крім того, застосування «ентропійних» сульфонієвих лігандів сприяє стабілізації висококонцентрованих колоїдів наночастинок (до 1.1 г неорганічної маси на мл). Ці результати показують, що ліганди на основі сульфонію практично застосовні для різноманітних застосувань наночастинок перовскіту галогеніду свинцю, включаючи квантову фотоніку та шари перетворення на нижчу температуру для дисплеїв (А.Б. Баумкетнер).

Мікроструктуровані поверхні, що складаються з адгезивних доменів та стимул-чутливих ділянок (які, наприклад, зазнають циклічного набухання та стискання при переході температури через нижню критичну температуру розчинності, LCST), здатні ефективно вловлювати та вивільняти колоїдні частинки. Такі структури мають перевагу над однорідними термочутливими поверхнями, оскільки на мікроструктурованій поверхні адгезивні та відштовхувальні області розділені в просторі, і можуть бути настроєні незалежно одна від одної. Розглянуто адсорбцію та десорбцію частинок на термочутливій мікроструктурованій поверхні, яка складається з доменів полі(акрилової кислоти) (PAA), модифікованої адгезивними функціональними групами, та термочутливих областей полі(N-ізопропілакриламіду) (PNIPAM), причому обидва види полімеру формують регулярні просторові структури. За температур, вищих за LCST, домени PNIPAM у воді колапсують, що уможливлює адсорбцію колоїдних частинок на областях PAA. При охолодженні нижче температури LCST PNIPAM набрякає та виштовхує колоїдні частинки від поверхні. Розроблено мезоскопічні моделі для колоїдних частинок і для мікроструктурованих термочутливих поверхонь та використано комп'ютерне моделювання для аналізу оптимальної структури таких поверхонь з точки зору можливості циклів адсорбція/десорбція. Знайдено оптимальні інтервали для таких параметрів як довжина ланцюжків PAA, тип просторової струкутри поверхні, співвідношення між площами поверхонь областей PAA та PNIPAM, а також зернистості мікроструктури та співмірності його характерного масштабу з розміром колоїдних частинок. Дослідження є актуальним та мотивованим проблемами збору та сортування прокаріотичних та еукаріотичних клітин на мікроструктурованих поверхнях (Я.М. Ільницький, Д.Л. Яремчук).

Фазову поведінку типу газ–рідина іонних рідин кімнатної температури (RTIL), обмежених у невпорядкованих пористих середовищах, досліджено за допомогою теоретичного підходу, що поєднує розвинення теорії масштабної частинки, термодинамічну теорію збурень Вертгайма та асоціативне середньо-сферичне наближення. Розглянуто дві моделі, які відрізняються формою молекули катіона: одна з катіонами, що мають вигляд заряджених гнучких ланцюгів, а інша – з катіонами, представленими зарядженими твердими сфероциліндрами. Пористе середовище моделюється матрицею невпорядковано розташованих твердих сфер. За рахунок асоціативних ефектів, що виникають між протилежно зарядженими іонами, система складається із суміші димеризованих і вільних іонів. Дослідження зосереджено на з'ясуванні впливу форми молекули катіона, часткової іонної асоціації та невпорядкованого обмеження на фазову поведінку типу газ–рідина розглянутих модельних RTIL. В рамках запропонованого підходу встановлено, що і критична температура T_c, і критична густина ρ_c у моделі зі сфероциліндричними катіонами є нижчими, ніж у моделі з ланцюговими катіонами, а область фазового співіснування є вужчою. Отримані результати показують якісне узгодження із наявними в літературі даними комп'ютерного моделювання. Це перша спроба теоретичного опису моделі RTIL з молекулярними іонами сфероциліндричної форми, зокрема у невпорядкованому пористому середовищі (Т.М. Пацаган, Т.В. Гвоздь, Ю.В. Калюжний, чл.-кор. НАН України М.Ф. Головко, О.В. Пацаган).

Розроблено безмаркерні методи та матеріали для сортування клітин. Мікроструктуровані термочутливі поверхні на основі полі(гліцидилметакрилату) (PGMA) та полі(N-ізопропілакриламід-ко-гліцидилметакрилату) (PNIPAM-co-GMA) отримано шляхом фазового розділення у тонких плівках на субмікронному масштабі, після чого їх зшито і ковалентно причіплено до підкладки. Домени PGMA використано для адгезії клітин, тоді як матриця PNIPAM-co-GMA при температурі меншій, ніж нижня критична температури розчинення (LCST) відштовхує клітини від поверхні. Формування мікроструктури та процеси набрякання–стискання, спричинені зміною температури, досліджено експериментально та за допомогою комп’ютерного моделювання методом дисипативної частинкової динаміки. Експерименти з макрофагоподібними клітинами миші RAW 264.7, мишачими фібробластами NIH3T3/GFP та людськими кератиноцитами шкіри HaCaT (немарковані та GFP-позитивні штами) демонструють успішне сортування клітин на основі слабких і неспецифічних взаємодій з реконфігуровуваними термочутливими мікроструктурованими поверхнями. Ефективне сортування з коефіцієнтом розділення понад 50% досягається за умови, що сила відштовхування налаштована на рівні адгезійних сил клітин, які сортуються. Це експериментальне спостереження підтверджується результатами моделювання Монте-Карло для адсорбції та десорбції клітин на мікроструктурованих поверхнях. Експерименти та моделювання показують, що ефективне сортування клітин можливе у випадку слабкої або помірної адгезії клітин до поверхонь. Водночас метод виявляється неефективним за дуже слабкої або дуже сильної адгезії. Показано, що адгезію клітин до мікроструктурованих поверхонь можна регулювати шляхом зміни умов фазового розділення на стадії формування плівки, а також варіюванням часу інкубації клітин на мікроструктурованих поверхнях (Т.М. Пацаган, Я.М. Ільницький, Д.Л. Яремчук, О.Ю. Калюжний).

Отримано немарковські рівняння гідродинаміки в дробових похідних для нерівноважних значень густини кількості частинок, їх імпульсу та енергії для в'язкопружних рідин із використанням методу нерівноважних статистичних операторів у статистиці Гіббса. Для ізотермічних процесів отримано немарковське рівняння Нав'є-Стокса в дробових похідних для в'язкопружних рідин. Розглянуто моделі частотної залежності функції пам'яті (в'язкості), які приводять до узагальненого рівняння в дробових похідних у просторі та часі для нерівноважного значення густини імпульсу частинок (або узагальненого рівняння Нав'є-Стокса) для узагальненої моделі рідини Максвелла, узагальненої моделі рідини Олдройда B (М.В. Токарчук).

Показано, яким чином рентгенівська фотоемісійна та абсорбційна спектроскопії з роздільною здатністю в часі можуть бути використані для вимірювання як ефективної енергетичної структури, так і надшвидкої, корельованої динаміки заряду в електронній підсистемі, розглядаючи просту модель в рамках теорії нерівноважного динамічного середнього поля. Перевагою даної схеми є наявність залежної від часу кореляції між інтегрованою спектральною вагою піків фотоемісії/поглинання з осердних рівнів та електронних кореляційних функцій, що дозволяє отримати безпрецедентне розуміння надшвидкої, усередненої за часом динаміки електронних кореляцій у сильно взаємодіючих багаточастинкових системах. Такий підхід дозволяє визначити ефективну електронну температуру без будь-якої апроксимації до температурної функції розподілу після відповідного калібрування. На доказ концепції, цей сценарій експериментально перевірено шляхом відстеження надшвидкої передачі спектральної ваги в спектрі рентгенівського поглинання прототипового, сильно корельованого матеріалу CeO₂ після імпульсного фотозбудження (О.П. Матвєєв, А.М. Швайка).

Запропоновано псевдоспінові моделі для опису фазових переходів, діелектричних характеристик та процесів перемикання поляризації у двох кристалах родини фенілтетразолів. Один з них, APHTZ, є неколінеарним сегнетоелектриком, тоді як інший, MPHTZ, є звичайним антисегнетоелектриком. В APHTZ електричне поле, прикладене перпендикулярно до осі спонтанної поляризації, змінює поляризацію в одній із двох підґраток, ефективно обертаючи ненульову сумарну поляризацію на 90^о та перемикаючи систему між двома різними сегнетоелектричними конфігураціями. Побудовано фазові діаграми температура-електричне поле для згаданих кристалів. Топологія діаграм є типовою для ізінґоподібних антисегнетоелектричних систем (А.П. Моїна).

The T-E_b phase diagram and color contour plot of the angle between the net polarization vector and the a axis for the APHTZ crystals. Solid and dashed lines: first and second order phase transitions, respectively; TCP: the tricritical point.

Зазвичай вплив структурного безладу на магнітний фазовий перехід у 3D-моделі Ізінґа аналізується в рамках теорії розведення немагнітною компонентою, де деякі вузли ґратки зайняті ізінґівськими спінами, а інші є немагнітними. Запропоновано нову узагальнену модель Ізінґа зі змінною довжиною спіна. Для випадкової суміші двох магнетикiв Iзiнґа з двома рiзними довжинами спiнiв (1 та s) та концентрацією c проведено розширене моделювання методом Монте-Карло. Проаналізовано вплив структурного безладу без введення немагнітного компонента. Отримані результати демонструють появу класу універсальності моделі Ізінґа з 3D випадковим розведенням у випадковій суміші двох магнетиків типу Ізінґа. Хоча асимптотичні критичні показники збігаються з відомими для розбавленої за вузлами 3D моделі Ізінґа, ефективна критична поведінка запускається параметрами довжини спiнiв s та концентрації c. Проведено детальний аналіз впливу їхньої взаємодії (М.Л. Дудка, М.Б. Красницька, акад. НАН України Ю.В. Головач).

(a) Окремий випадок моделi Iзiнга зi змiнною довжиною спiна: сумiш двох магнетикiв Iзiнга з двома рiзними довжинами спiнiв. (b) Розведена модель Iзiнга, де деякi вузли (сiрi) зайнятi немагнiтними сполуками або порожнi.

Розглянуто модель колективного формування думки, яка бере до уваги можливість існування індивідуальних уподобань кожного агента. Агенти симулюються як ізінґівські спіни з додатковим внутрішнім ступенем свободи, що описує уподобання до одного із двох можливих станів. Ця модель є моделлю типу коміркового автомата, де вірогідність зміни стану кожного агента залежить від станів його сусідів і самого індивідуального уподобання. Фокусом дослідження була сприйнятливість такої моделі, оскільки реальні біологічні системи часто оперують близько критичної точки, де сприйнятливість набуває максимального значення для точного прийняття рішень. Показано, що існує три механізми, які дозволяють адаптуватися системі до зміни рівня зовнішнього шуму так, щоб сприйнятливість залишалася високою: збільшення зв’язності системи; поява далекосяжних зв’язків, яких раніше не було; зміна параметру, що описує схильність агентів упорядковуватися згідно з локальною більшістю (П.В. Сарканич, акад. НАН України Ю.В. Головач).

Магнітна сприйнятливість як функція імовірності зв’язності вузлів і інтенсивності зовнішнього шуму для різної густини вузлів без уподобань.