В результате выполнения работ в 2025 году были получены следующие результаты:

1.  Технология создания структуры TeO2-ZnO и методика нанесения на нее встречно-штыревых преобразователей для возбуждения пьезоактивных акустических волн.
2.  Экспериментальный образец многоканального многопараметрического акустического устройства на основе структуры TeO2 – ZnO с ячейкой для жидкости в центре. АЧХ экспериментального образца.
3.  Результаты апробации полученного экспериментального образца многоканального многопараметрического акустического устройства на основе структуры TeO2 – ZnO на тестовых коллоидных растворах (культуральные среды ЛБ, в том числе с полученными бактериальными клетками, вязкие среды на основе силиконового масла с микрочастицами металлов и их оксидов)
4.  Результаты сравнения сенсорных характеристик экспериментальных образцов многоканальных многопараметрических акустических устройств на основе структуры TeO2 – ZnO и пластины LiNbO3.
5.  Результаты сравнения сенсорных характеристик экспериментальных образцов на анизотропных линиях задержки и FBAR (Китайской команды).
6.  Экспериментальный образец акустоэлектронного датчика для детекции бактериальных клеток на основе культуры метилотрофных микобактерий (Methylobacterium, Rhodococcus), капсулированных биогенныминаночастицами железа, в присутствии внешнего магнитного поля. АЧХ экспериментального образца..
7.  Результаты апробации экспериментального образца акустоэлектронного датчика для детекции бактериальных клеток на основе культуры метилотрофных микобактерий (Methylobacterium, Rhodococcus), капсулированных биогенными наночастицами Fe, в присутствии внешнего магнитного поля.
8.  Анализ патентной ситуации по многоканальным многопараметрическим акустическим устройствам для детектированию микробиологических объектов в жидкой фазе.
9.  ТЗ на ОКР «Многоканальное многопараметрическое акустическое устройство для детекции микробиологических объектов в жидкой фазе».
10.  Технико- экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
11.  Экспериментальный образец FBAR и алгоритм работы жидкостных датчиков в режиме реального времени.
12.  Результаты теоретического анализа взаимодействия жидкой взвеси с акустическими волнами.
13.  Анализ патентной ситуации по разработанному акустоэлектронному биологическому датчику.

2024 год:

В результате выполнения работ на втором этапе НИР в 2024 году были получены следующие основные результаты:

1. Экспериментальный образец акустоэлектронного устройства для бесконтактного определения проводимости жидкости или коллоидного раствора на основе акустической линии задержки на LiNbO3 или FBAR. АЧХ созданного экспериментального образца.
2. Результаты экспериментального исследования возможности бесконтактного определения проводимости жидкости или коллоидного раствора на основе акустоэлектрических линий задержки или FBAR Китайской команды.
3. Экспериментальный образец многоканального многопараметрического акустоэлектронного устройства с ячейкой для жидкости в центре для определения свойств жидкости на пьезоэлектрических подложках (LiNbO3, LiTaO3) с различной пространственной ориентацией акустических каналов. АЧХ экспериментального образца.
4. Измерительный стенд для проведения исследования АЧХ созданных экспериментальных образцов акустоэлектронных устройств.
5. Результаты экспериментального исследования влияния эталонных жидкостей (дистиллированная вода, глицерин, водные растворы NaCl, водные растворы глицерина, водные растворы NaCl с глицерином) на свойства акустических волн различных типов в зависимости от направления распространения волны при помощи созданного экспериментального образца. Эталонные 2D- гистограммы (паттернов) для создания электронной справочной базы данных.
6. Метод идентификации жидкостей по базе данных на основе полученных эталонных сенсорных диаграмм, включая методы машинного обучения с привлечением Китайской команды. Результаты верификации метода с использованием эталонных жидкостей (дистиллированная вода, глицерин, водные растворы NaCl, водные растворы глицерина, водные растворы NaCl с глицерином).
7. Экспериментальные образцы тестовых жидкостей на основе силиконового масла с микрочастицами их металлов и их оксидов.
8. Результаты апробации разработанного метода идентификации жидкостей по построенным сенсорным диаграммам на коллоидных растворах (культуральные среды ЛБ, в том числе с полученными бактериальными клетками, вязкие среды на основе силиконового масла с микрочастицами металлов и их оксидов). Результаты сравнения полученных данных с данными Китайской команды.
9. Микробиологическая методика получения бактериальных клеток на основе культуры метилотрофных микобактерий (Methylobacterium, Rhodococcus), капсулированных биогенными магнитными наночастицами (Fe) и экспериментальные образцы.
10. Результаты исследования морфологии, состава и магнитных свойств полученных бактериальных клеток на основе культуры метилотрофных микобактерий (Methylobacterium, Rhodococcus), капсулированных биогенными наночастицами Fe.
11. Анализ патентной ситуации на разработанный акустический метод бесконтактного определения электро- физических свойств жидкости.
12. Анализ патентной ситуации на биогенный метод определения присутствия бактериальных клеток в культуральной среде.
13. Результаты исследования воздействия внешней вибрации на работоспособность FBAR устройств.
14. Результаты моделирования влияния внешних механических воздействий на параметры FBAR устройств.
15. Результаты оптимизации структурной схемы FBAR устройств и внесения соответствующих конструктивных изменений.
16. Результаты обобщение данных о влияния температуры и внешних вибраций на характеристики FBAR устройств и алгоритм их создания, позволяющий прогнозировать их эффективность.
17. Программное обеспечение для расчета конструкций FBAR устройств.

Все поставленные задачи на первый этап выполнения НИР полностью решены.

По результатам выполнения работ в 2024 году опубликовано 2 статьи в журналах, входящих в ядро RSCI, МБД WOS и Scopus, поданы 2 патента. Результаты доложены в 5 докладах на двух Международных конференциях.

Опубликованные статьи:

1. Ageykin N., Anisimkin V., Smirnov A., Fionov A., Li P., Qian Z., Ma T., Awasthi K., Kuznetsova I. An Electronic “Tongue” Based on Multimode Multidirectional Acoustic Plate Wave Propagation // Sensors.- 2024.- V.24.- P. 6301
2. Wang T., Zhu F., Li P., Xu Z., Ma T., Kuznetsova I., Qian Z. Analysis and Modeling of Two-Dimensional Piezoelectric Semiconductor Shell Theory // European Journal of Mechanics/A solids.- 2024.- V.106.- P. 105331

Доклады на конференциях:

1. Агейкин Н.А. Влияние состава суспензий на основе силиконового масла на характеристики акустических волн в пьезоэлектрических пластинах // Book of Abstr. 9th Int. Conf. on Phys. Electron.- IPEC-9, Oct. 3-4 2024, Tashkent, Uzbekistan. -2024. -С. 76-77
2. Анисимкин В.И., Фионов А.С. Акустоэлектронный датчик вкуса // Book of Abstr. 9th Int. Conf. on Phys. Electron.- IPEC-9, Oct. 3-4 2024, Tashkent, Uzbekistan. -2024. -С. 80-81.
3. Дацук Е.Р., Горбачев И.А. Автоматизированный стенд для измерения реакции акустоэлектронного датчика на воздействие водных растворов хлорида натрия различной концентрации // Book of Abstr. 9th Int. Conf. on Phys. Electron.- IPEC-9, Oct. 3-4 2024, Tashkent, Uzbekistan. -2024. -С. 82-83.
4. Шамсутдинова Е.С. Определение электропроводности жидкости бесконтактным акустическим методом // Book of Abstr. 9th Int. Conf. on Phys. Electron.- IPEC-9, Oct. 3-4 2024, Tashkent, Uzbekistan. -2024. -С. 86-87.
5. Колесов В.В., Агейкин Н.А., Анисимкин В.И. Исследование структурирующего воздействия магнитного поля на магнитные жидкости акустоэлектронными методами // Актуальные проблемы прочности : материалы LXVIII международной научной конференции: Витебск, 27-31 мая 2024 года / под ред. В.В. Рубаника. -Минск: «ИВЦ Минфина», 2024. – С.269-271.

Заявки на патенты:

1. Смирнов А.В., Шамсутдинова Е.С., Кузнецова И.Е. Бесконтактный способ определения электрофизических свойств жидких сред// Заявка на патент на Изобретение.-2024.-№20244130299 от 08.10.2024.
2. Складнев Д.А., Сорокин В.В., Каленов С.В. Биогенный метод определения присутствия бактерий в культуральной среде// Заявка на патент на Изобретение №2024135546 от 27.11.2024.

Рекомендации и предложения по использованию результатов Проекта.

Полученные результаты будут использованы на заключительном этапе проекта для доработки многопараметрического многоканального акустического датчика жидкости и его патентования. Подобные датчики могут быть использованы для экологического мониторинга свойств воды, контроля параметров технологических и пищевых жидкостей, что представляет интерес для Индустриального партнера проекта ООО «Мед ТеКо».

Оценка научно-технического уровня полученных результатов проекта.

Проведено сопоставление полученных результатов с результатами Китайской команды. Сделан вывод о перспективности использования FBAR с латеральным возбуждающим электрическим полем для реализации жидкостных биологических датчиков. На следующем этапе планируется проведение аналитического сравнения полученных результатов Российской и Китайской командами для выявления пределов применимости различных типов акустических устройств (линий задержки, FBAR) при создании биологических датчиков.

Полученные результаты соответствуют, а в ряде случаев превышают мировой уровень в данной области исследований.

Оценка достижения целей, поставленных в рамках проекта.

Все запланированные на 2024 год работы и поставленные задачи успешно выполнены. Поставленные цели проекта для второго этапа  – достигнуты.

Необходимость в международном сотрудничестве обусловлена возможностью доступа к технологическим линейками создания акустоэлектронных устройств Китайских партнеров. Кроме того, в связи с практической ориентацией данной работы открывается дополнительная возможность для международной кооперации по внедрению результатов данной работы в реальные сенсорные устройства и организации их производства.

   В результате выполнения работ на первом этапе НИР были получены следующие основные результаты:

1. Проведенный аналитический обзор показал существование большого количества методов исследования механических и электрофизических свойств жидкостей и растворов, включая культуральные среды с микробиологическими объектами на различных физических принципах, однако использование акустоэлектронных технологий и разработка новых устройств на их основе представляет значительный интерес для исследования жидких сред, а также разработки новых конструкций и поиск новых материалов для звукопроводов, которые позволят увеличить чувствительность, уменьшить время срабатывания и расширить функциональность датчиков жидкости..

2. Проведенные патентные исследования по акустоэлектронным датчикам жидкости на основе линий задержки и FBAR показали, что предлагаемые участниками проекта многопараметрические акустоэлектронные датчики жидкости, основанные на применении нескольких зондирующих акустических волн, а также многослойных структур с сильной анизотропией, могут являться основой для создания нового поколения современных элементов электронного языка, а также устройств для экспресс-анализа биологических жидкостей с целью обнаружения патогенных микроорганизмов.

3. Проведенное математическое моделирование распространения акустических волн Лэмба и волн с поперечно-горизонтальной поляризацией нулевого и высших порядков в структуре «воздух — пьезоэлектрическая пластина – воздушный зазор – жидкость» показало, что чем больше диэлектрическая проницамость жидкости, тем сильнее фазовая скорость волны зависит от расстояния от жидкости до пластины, а также  чем меньше диэлектрическая проницаемость жидкости, тем меньше значение максимального затухания волны при определенном значении проводимости жидкости. Сделан вывод, что для разработки метода дистанционного определения проводимости жидкости необходимо получить калибровочные кривые с учетом диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости. Либо для разработки метода необходимо применить метод машинного обучения, который будет учитывать значения фазовой скорости и затухания в зависимости от диэлектрической проницаемости жидкости и расстояния пьезоэлектрической пластины от нее.

4. В результате математического моделирования распространения акустических волн Лэмба и волн с поперечно-горизонтальной поляризацией нулевого и высших порядков в частотном диапазоне от 3 МГц до 50 МГц в пластинах из ниобата лития, танталата лития с толщиной 350 мкм и в структуре «воздух — пластина парателлурита (TeO2) – пленка ZnO — воздух» в отсутствие жидкости были сделаны следующие рекомендации для экспериментов. Для реализации экспериментального образца многопараметрического датчика можно выбрать А1 волну в структуре «пленка С-ось-ZnO – пластина TeO2 Z среза». Обнаружено, что коэффициент электромеханическо связи этой волны сильно зависит от направления распространения, как и ее фазовая скорость. Это соответствуют условиям поиска структур с сильной анизотропией свойств.

5. Математическое моделирование распространения акустических волн Лэмба и волн с поперечно-горизонтальной поляризацией нулевого и высших порядков в частотном диапазоне от 3 МГц до 200 МГц в структурах «воздух- пьезоэлектрическая пластина (толщина 350 мкм) -жидкость», «воздух — пластина парателлурита (TeO2) – пленка ZnO — жидкость» показало, что присутствие невязкой и непроводящей жидкости на поверхности структуры практически не влияет на фазовую скорость волн, однако приводит к их затуханию. Обнаружено, что существуют направления распространения, при которых затухание волны в присутствии жидкости более сильное, чем для других направлений в одной и той же плоскости. Это говорит о возможности разрабтки жидкостного датчика, основанного на сильной анизотропии свойств акустических волн.

6. Математическое моделирование распространения акустических волн Лэмба и волн с поперечно-горизонтальной поляризацией нулевого и высших порядков в частотном диапазоне от 3 МГц до 50 МГц в пластинах из ниобата лития, танталата лития с толщиной 350 мкм и в структуре «воздух — пластина парателлурита (TeO2) – пленка ZnO — воздух» при различных температурах окружающей среды показало, что диапазон TCD для волн в пластинах ниобата лития лежит в пределах от -115 ppm/C до -30 ppm/C, а для танталата лития TCD этих волн лежит в диапазоне от -60 ppm/C до -10 ppm/C. Это говорит о том, что волны высших порядков в пластинах танталата лития меньше зависят от изменения температуры, чем в пластинах ниобата лития. Для волн, рекомендованных для создания многоканального многопараметрического датчика жидкости TCD составляет 0.05 ppm/C.

7. Разработанная микробиологическая методика получения бактериальных клеток на основе культуры метилотрофных микобактерий (Methylobacterium, Rhodococcus), капсулированных биогенными наночастицами серебра позволяет получать их в количестве не менее 30 мл аналита.

8. Исследование морфологии и состава полученных бактериальных клеток на основе культуры микобактерий, капсулированных биогенными наночастицами серебра подтвердило их формирование. Сделан вывод о возможности использования полученных микробиологических объектов для верификации разрабатываемого биологического акустического жидкостного датчика.

9. В рамках выполнения работ китайскими участниками разработана теоретическая модель параметрического тонкопленочного резонатора на объемных акустических волнах (FBAR) с использованием метода конечных элементов с учетом отражений от границ и возбуждения паразитных мод, проведена экспериментальная проверка работоспособности модели и выполнен анализ эффективности методики измерений, а также исследовано влияния температуры на акустические FBAR устройства.

Все запланированные на 2023 год работы успешно выполнены. Полученные результаты соответствуют, а в ряде случаев превышают мировой уровень в данной области исследований.