1

Название прорывного направления научных исследований:

Электродинамика сложноструктурированных макро-, микро- и наногетерогенных систем

2

Обоснование прорывного направления научных исследований:

Подавляющее большинство материалов, с которыми человек имеет дело в быту и на производстве, являются гетерогенными дисперсными системами, т.е. материалами, в которых непрерывно распределенная матричная, или дисперсная, среда содержит хаотично или регулярно внедренное множество большого числа дисперсных частиц из другого вещества. Более того, сами дисперсные частицы обычно также являются сложными дисперсными системами следующего уровня. Подобная ситуация характерна для гетерогенных материалов биологического происхождения, например, зерна и бумаги. Несмотря на то, что сами по себе отдельные компоненты дисперсных систем (дисперсная среда, дисперсные частицы) сохраняют все основные физические свойства веществ, из которых они состоят, свойства системы в целом могут существенно отличаться от свойств ее отдельных компонент. Поэтому для многих отраслей промышленности большое значение имеет контроль количественного содержания разных компонент гетерогенного материала при его производстве или обработке, например, при производстве косметических продуктов или при подготовке зерна к помолу. При этом условия современного производства настоятельно требуют внедрения непрерывных методов контроля, которые должны обеспечивать постоянное наблюдение за физическими параметрами сырья на входе производственного технологического процесса, полуфабриката на разных этапах его прохождения, и конечного продукта на выходе. С этой точки зрения наиболее эффективными методами измерения концентрации каких-либо компонент в различных дисперсных системах представляются бесконтактные электродинамические методы, с помощью которых искомая концентрация разных компонент материала определяется по измерению средней диэлектрической проницаемости всей системы в целом. Поэтому исследование диэлектрических свойств дисперсных систем имеет большое практическое значение.

3

Соответствие приоритетным направлениям научных исследований Республики Беларусь на 2011-2015 годы:

Тема направления научных исследований соответствует разделам приоритетных направлений фундаментальных и прикладных исследований в Республике Беларусь на 2011-2015 гг., утвержденным Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 19.04.2010 г. № 585:
Раздел 6 Лазерные, оптические, оптико-, опто-, микро- и радиоэлектронные технологии и системы (6.7  научные основы создания и функционирования оптико-электронных микросистем, устройств молекулярной электроники и кремниевой фотоники, электронных и оптических систем обработки информации на спиновых эффектах; нанотехнологии, наноструктуры и наноматериалы в электронике, оптике, оптоэлектронике).
Раздел 8 Новые материалы для промышленности, медицины и строительства, наукоемкие технологии их производства. Металлургические и литейные процессы (8.4 новые композиционные материалы на основе металлов, керамики и углерода, нано- и микроструктурированные материалы и способы их синтеза, нанотехнологии, моделирование и создание адаптивных материалов; 8.8 новые неорганические и композиционные материалы для дорожного, промышленного и жилищного строительства, методы и средства измерений свойств строительных материалов; 8.10 неразрушающий контроль материалов и конструкций).
Раздел 9 Производство, хранение и переработка сельскохозяйственной продукции (9.6 теория и методология инновационных решений, технологии и методы переработки сельскохозяйственной продукции, налаживания безотходного эффективного производства и получения высококачественного продовольствия, в том числе продуктов питания для детей).

4

Обоснование соответствия критерию прогнозируемой новизны:

Основная проблема разработки электродинамических систем измерения концентрации отдельных компонент гетерогенных материалов состоит в том, что диэлектрические свойства этих материалов определяются не только концентрацией каждой компоненты, но также размерами и формой дисперсных частиц, характером их распределения в объеме и характером физических связей в системе. Чтобы по возможности нивелировать все эти факторы, для электродинамических измерений используется электромагнитное излучение с длиной волны, много большей размеров дисперсных частиц (например, для зерна и бумаги это СВЧ волны, а для наноструктур – ИК и оптическое излучение); тогда проходящие волны воспринимают гетерогенный материал как однородную среду с некоторой эффективной диэлектрической проницаемостью. Однако при этом не удается полностью свести дело к простой связи «проницаемость компонент – концентрация – проницаемость системы», потому что влияние некоторых указанных выше факторов оказывается весьма существенным. Тут большую помощь практике могла бы оказать теоретическая модель, однако до сих пор вся феноменологическая теория диэлектрических свойств дисперсных систем по сути сводится к известной приближенной формуле Максвелла-Гарнета и различным ее модификациям для дисперсных частиц простой формы. В сущности, современная теория не позволяет учесть ни одного из указанных выше факторов, влияющих на свойства дисперсной системы. Кроме того, она по определению неприменима в тех случаях, когда длина волны излучения превышает характерный размер дисперсных частиц не на порядки, а всего лишь в несколько раз, а то и сравнима с этим размером. Между тем наши исследования показывают, что подобную теорию можно применять и в этих случаях, если вводить соответствующие поправки на размерность и форму частиц. Таким образом, появляется возможность учесть размеры и форму дисперсных частиц в рамках феноменологической теории, а вслед за этим решать обратную задачу определения не только концентрации таких частиц в составе гетерогенного материала, но и оценивать другие их физические свойства, используя результаты измерения диэлектрической проницаемости всего материала в целом. Особенно важными подобные задачи представляются для современных нанотехнологий, где приходится иметь дело с наночастицами самой различной формы и размера.

5

Обоснование соответствия критерию принципиальной новизны:

Потребности современной практики настоятельно требуют развития исследований дисперсных систем в направлении изучения влияния широкого спектра физических свойств дисперсных частиц, например, их формы и размеров, на диэлектрические свойства системы в целом. Другое направление исследований – учет многоструктурности дисперсной системы, когда сами частицы представляют собой самостоятельные дисперсные системы довольно сложного строения (зерно, биологические ткани). При решении обратной задачи электродинамических измерений для таких систем возникает ряд специфических трудностей, например, неоднозначность трактовки измеренных результатов. И третье направление возможных исследований – учет регулярности в распределении дисперсных частиц в объеме системы. Здесь должны проявляться специфические эффекты, подобные эффектам дифракции электромагнитного излучения на регулярных дифракционных решетках, которые вполне можно будет использовать для получения дополнительной информации о дисперсных частицах. До сих пор все три указанных направления развития мировой науки о гетерогенных материалах находятся в зачаточном состоянии.

6

Обоснование соответствия критерию научного уровня:

Выполнение задания на высоком научно-техническом уровне основано на выявлении тенденций развития научного направления, анализе новизны и значимости рассматриваемых проблем в сравнении с достижениями мировой науки и техники, оценки патентоспособности предложенных технических решений. Разработки будут выполнены впервые в Республике Беларусь на уровне мировой новизны и защищены патентами Республики Беларусь.
Высокий научный уровень исследования гарантируется большим опытом выполнения различных госбюджетных и хоздоговорных работ в данном направлении, подтверждением чему могут служить 16 публикаций в ведущих рецензируемых российских, западноевропейских и американских научных журналах за последние 8 лет, и патенты РБ и Российской Федерации, в частности:
1. Кухарчик П.Д., Сердюк В.М., Титовицкий И.А., Пуровский М.О. Эффект непрерывного изменения диэлектрического упорядочения в многокомпонентных дисперсных системах. – Доклады НАН Беларуси. – 2006. – Т. 50. № 3. – С. 33–36.
2. Сердюк В.М. Дифракция плоской электромагнитной волны на щели в проводящем экране с поперечным диэлектрическим слоем. – Журнал технической физики. – 2006. – Т. 76. Вып. 6. – С. 98–105.
3. Kukharchik P.D., Serdyuk V.M., Titovitsky J.A., Purovsky M.O. Effect of continuous modification of dielectric order in grain. – Journal of Physics D: Applied Physics. – 2006. – V. 39. No 13. – P. 2832–2838.
4. Кухарчик П.Д., Сердюк В.М., Титовицкий И.А. Расчет электромагнитных полей объемных резонаторов с учетом потока энергии через щели. – Журнал технической физики. – 2007. – Т. 77. Вып. 4. – С. 83–91.
5. Kukharchik P.D., Serdyuk V.M., Titovitsky J.A. Diffraction of hybrid modes in a cylindrical cavity resonator by a transverse circular slot with a plane anisotropic dielectric layer. – Progress In Electromagnetics Research B. – 2008. – Vol. 3. – P. 73–94.
6. Serdyuk V.M. Dielectric study of bound water in grain at radio and microwave frequencies. – Progress In Electromagnetics Research. – 2008. – Vol. PIER 84. – P. 379–406.
7. Serdyuk V.M. Exact solutions for electromagnetic wave diffraction by a slot and strip. – International Journal of Electronics and Communications (AEÜ). – 2011. – Vol. 65, Issue 3. – P. 182–189.
8. Serdyuk V.M. Diffraction field behavior near the edges of a slot and strip. – Progress In Electromagnetics Research M. – 2011. – Vol. 20. – P. 207 – 218.
9. Serdyuk V. M., Titovitsky J. A. Diffraction of a plane inhomogeneous electromagnetic wave by a perfectly conducting half-plane in an absorbing medium. – American Journal of Electromagnetics and Applications. – 2013. – Vol. 1. No. 1. – P. 1–7.
10. Патент РФ на изобретение № 2321843 «Инфракрасный датчик влажности и массы бумажного полотна» // Белкин В.Г., Василевич Л.Н., Титовицкий И.А. Заявка № 2003118929/28 от 26.07.2006, положительное решение 14.09.2007.

7

Обоснование соответствия критерию практической реализации:

Кроме серьезного научно-практического задела, коллектив исследователей обладает богатым опытом проведения научно-исследовательских работ по заявленной тематике, а также необходимой материальной базой для достижения конкретных практических целей с применением новых научных результатов.

8

Значимость научной и научно-технической продукции, создаваемой в рамках прорывного направления научных исследований, для укрепления национальной безопасности, улучшения качества жизни населения, обеспечения экологической безопасности:

В рамках программы планируется разработка современных научных и технических решений, позволяющих создать целый ряд прецизионных датчиков технологического контроля влажности, массы метра квадратного, толщины, концентрации, расхода, геометрических параметров, уровня при производстве строительных материалов, нефтепродуктов,  бумаги, картона, ДСП, ДВП, ламинированных материалов, мукомольных изделий, сахара, молочных изделий, при производстве, переработке и хранении зерновых культур и кормов для животных, при производстве продуктов питания, медпрепаратов и т.д.

9

Экспортоориентированность, масштабы импортозамещения и другие преимущества достигнутых и (или) ожидаемых конечных результатов реализации прорывного направления научных исследований:

К настоящему времени более чем на 30 мукомольных предприятиях Беларуси и России и более чем на  30 целлюлозно-бумажных комбинатах Беларуси, России, Украины, Казахстана, Литвы и Польши успешно внедрены и работают  системы контроля влажности зерновых и бумажных материалов, использующие датчики влажности, которые разрабатывались на основе полученных ранее научных и практических результатов.  Поэтому можно ожидать, что более совершенные системы контроля качества технологических процессов производства, которые предполагается разрабатывать на основе нового поколения электродинамических датчиков физических параметров гетерогенных материалов, найдут широкий спрос в различных отраслях промышленности Республики Беларусь и во многих странах ближнего и дальнего зарубежья.

10

Секция экспертного совета, в которой целесообразно рассмотрение предложения отметить знаком «X»):

X

Секция по физико-математическим наукам и информационным технологиям