Водородные материалы и нейроморфные модели
Исследовательская повестка ИФиМ СПбПУ
Институт физики и математики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого формирует исследовательскую программу вокруг двух взаимодополняющих тематик: материалов для водородной энергетики и математико-аппаратного моделирования нейронной активности. Эти направления относятся к актуальным задачам современной науки: эффективные твердофазные среды для хранения водорода и нейроморфные схемы для описания и реализации мозговой динамики рассматриваются как базовые компоненты энергетических и информационных технологий следующего поколения.
Скомканный графен и композиты металл/графен для хранения водорода
Скомканный графен исследуется как трехмерный наноматериал с переплетенной и спрессованной структурой графеновых чешуек, формирующей развитую пористую и морщинистую поверхность. Численные работы показывают, что сорбционная ёмкость такого материала по отношению к водороду существенно зависит от удельной поверхности, размеров структурных элементов и степени внешнего сжатия: при оптимизации этих параметров достигается заметный рост плотности хранения по сравнению с несжатой структурой. В этом контексте теоретические расчёты, выполняемые в ИФиМ, нацелены на выделение диапазонов геометрических и нагрузочных характеристик, в которых скомканный графен демонстрирует наиболее выгодное соотношение между сорбционной ёмкостью и механической устойчивостью.
Дополнительный пласт исследований связан с композитами металл/графен, где металлические компоненты задают дополнительно управляемый вклад в адсорбцию и механические свойства. Анализируются типы металлов, их концентрации и способы распределения в объеме композита, а также влияние этих параметров на циклическую стабильность при многократных процессах адсорбции и десорбции водорода. Для водородной энергетики подобные композиты рассматриваются как кандидаты на роль твердофазных носителей, способных обеспечить требуемую плотность хранения и воспроизводимость характеристик при эксплуатационных циклах, что делает фундаментальные расчёты и моделирование структуры ключевым элементом подготовки к последующим технологическим испытаниям.
Электронные модели нейронов и таламокортикальных сетей
Второе направление исследований ИФиМ связано с моделированием нейронной активности на основе классических и модифицированных математических моделей нейронов. В качестве базового инструмента используется модель ФитцХью–Нагумо — двухмерная редукция модели Ходжкина–Хаксли, описывающая динамику мембранного потенциала и медленной восстановительной переменной через систему нелинейных дифференциальных уравнений. Эта модель воспроизводит типичные свойства возбудимых систем: наличие порога возбуждения, генерацию одиночных импульсов, переход к устойчивой периодической активности при изменении внешнего тока.
Работы ученых и аспирантов ИФиМ ориентированы на переход от индивидуальных нейронов к сетевым конфигурациям, в том числе к таламокортикальным структурам. Имитационные модели таких сетей позволяют анализировать распространение возбуждения, формирование пространственно-временных паттернов активности и устойчивость режимов при изменении параметров связи и внешних воздействий. Параллельно развиваются электронные реализации: схемы, реализующие уравнения ФитцХью–Нагумо в виде аппаратных элементов, и их комбинации в сетевые конфигурации, что дает возможность переносить математические описания в нейроморфные вычислительные устройства. Таким образом формируется научный задел для платформ, на которых можно одновременно проводить моделирование мозговых процессов и отрабатывать архитектурные решения для энергосберегающих систем обработки информации.
Значение для отраслей водородной энергетики и нейротехнологий
Для водородной энергетики исследования скомканного графена и композитов металл/графен адресуют задачи увеличения объемной и массовой плотности хранения при контролируемых условиях адсорбции и десорбции. Теоретические и моделирующие работы позволяют сузить область поиска материалов и структур, пригодных для масштабирования, и тем самым служат основой для проектирования экспериментальных образцов, ориентированных на интеграцию в водородную инфраструктуру. На уровне отрасли это создаёт возможности для разработки твердофазных систем хранения, альтернативных традиционным высоконапорным и криогенным решениям.
В области нейротехнологий исследования электронных моделей нейронов и сетей на основе моделей ФитцХью–Нагумо поддерживают две взаимосвязанные задачи. Первая — построение контролируемых модельных систем для интерпретации нейрофизиологических экспериментов, где параметры математической модели и аппаратной реализации можно сопоставлять с зарегистрированными паттернами активности. Вторая — разработка нейроморфных вычислительных схем, использующих особенности динамики возбудимых систем для реализации алгоритмов обработки сенсорных данных и распознавания структур в сигналах. Фундаментальные работы в области радиофизики, математической биологии и теории нелинейных систем получают прямые точки входа в прикладные проекты, связанные с нейроинтерфейсами и специализированной вычислительной техникой.
Научная среда и формирование повестки
Расширенные семинары ИФиМ, где совместно обсуждаются материалы для водородной энергетики и модели нейронной активности, выполняют функцию согласования исследовательских приоритетов института. Направления, лежащие в разных областях — материаловедение и математическая нейронаука, — оказываются связанными через общие методы моделирования, требования к масштабируемости решений и ориентацию на технологические применения. Такая конфигурация научной повестки делает ИФиМ площадкой, где фундаментальные расчеты и модели рассматриваются как исходные элементы для последующего перехода к прототипам и отраслевым экспериментам в энергетике и нейротехнологиях.
