На заседании Президиума СО РАН доктора наук, которые примут участие в выборах в члены Российской академии наук, продолжили представлять свои исследования.

О межчастичных взаимодействиях как инструменте управления размерными эффектами в гетерогенных катализаторах и высокодисперсных системах рассказал заместитель директора ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» по научной работе доктор химических наук Олег Николаевич Мартьянов. Учёный отметил важность межчастичного взаимодействия при формировании высокодисперсных систем, в частности катализаторов. 

«Межчастичные взаимодействия являются основой высокочувствительных методов in situ исследований гетерогенных катализаторов и могут служить инструментом изучения формирования наночастиц. Взаимодействия чувствительны к структуре поверхности наночастиц, это позволяет рассматривать процессы адсорбции, связи с носителями, перестройку атомов в самой частице. Изменение структуры приводит к изменению межчастичного взаимодействия. Высокая чувствительность обменного взаимодействия к строению наночастицы в совокупности с магнитными межчастичными взаимодействиями дают в результате эффективный метод исследования строения и свойств каталитически активных наночастиц с уникальной чувствительностью. Также одним из наших самых оригинальных открытий оказалось обнаружение тонкой структуры спектра ферромагнитного резонанса, которая возникает вследствие межчастичных взаимодействий. Эта структура оказалась настолько чувствительная, что с её помощью можно изучать локальную неоднородность совмещённых манганитов лантана, а изменения локальной концентрации, в свою очередь, приводят к изменению кислородной подвижности и каталитической активности», — отметил учёный. 

Помимо этого, Олег Мартьянов рассказал о разработке установки для исследования начальных стадий формирования наночастиц, на которой в режиме in situ исследователи получили массу интересных результатов в сверхкритических условиях. В частности, оказалось, если создаётся даже небольшой температурный градиент, то процессы формирования частиц идут разными способами. 

«Новые данные позволили нам предложить несколько новых методов получения энергокомпонентных катализаторов. Например, соосаждение прекурсоров вместе с золями оксидов в сверхкритическом СО₂ для синтеза высоконаполненных высокодисперсных моно- и биметаллических катализаторов. Также мы предложили способ иммобилизации металлоорганических координационных полимеров (МОКП) в аэрогелевой матрице. Удалось сохранить не только структуру каталитического активного центра, но и доступность. Впервые это позволило провести разделение близких органических молекул в проточном режиме. А так как МОКП практических не поддаются формированию, это принципиально ограничивает их практическое применение — здесь и нужен проточный режим. Межчастичные взаимодействия — эффективный инструмент управления поведением высокодисперсных систем», — подчеркнул исследователь. 

С докладом о внутренних и инерционных волнах в жидких оболочках небесных тел выступил директор Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН доктор физико-математических наук Евгений Валерьевич Ерманюк.

При приливном взаимодействии небесных тел спутник, движущийся вокруг вращающегося центрального тела, как правило, постепенно отдаляется. Скорость этого движения связана с глобальной диссипацией приливного движения в центральном теле. В большинстве планет диссипация происходит в относительно толстой жидкой оболочке, причём величина диссипации может меняться на несколько порядков в зависимости от конфигурации возбуждаемых в ней внутренних и/или инерционных волн. Земля в этом смысле необычна, поскольку порядка 95 % диссипации энергии приливного движения происходит в очень тонком жидком слое (Мировом океане), масса которого составляет около 0,023 % от массы планеты. Приливное движение в океане представляет собой горизонтальные колебания с амплитудой порядка 50 метров. 

«При взаимодействии колеблющейся стратифицированной по плотности жидкости с рельефом дна происходит генерация внутренних волн. Суммарная мощность этого процесса в масштабах Земли составляет около 1 ТВт — порядка четверти от суммарной диссипируемой мощности приливного движения, составляющей 4 ТВт. Внутренние и инерционные волны имеют весьма специфические дисперсионные соотношения, в которые не входит масштаб длины. Соответственно, частота возмущения задает угол, под которым эти волны распространяются, а структура пучка волн зависит от геометрии границ жидкого объема. Решение задачи в рамках модели идеальной стратифицированной жидкости осложняется наличием сингулярностей на характеристиках, касательных к твёрдой границе области, на которых скорость обращается в бесконечность. Математически это сильно усложняет задачу. Для изолированных объектов (подводные горы, подводные аппараты) можно получить соотношение аффинного подобия, позволяющие при соответствующей замене переменных использовать результаты теории присоединённых масс тел, колеблющихся в однородной жидкости, для расчёта мощности излучения внутренних волн телами, совершающими колебания в стратифицированной жидкости. Чтобы экспериментально проверить теорию на лабораторных масштабах, понадобилась разработка методики, позволяющей надёжно измерить частотные характеристики колеблющихся тел при мощности излучения в диапазоне от 10⁻⁸ до 10⁻⁵ Вт, а для определения количественных характеристик пространственных полей внутренних волн потребовалось разработать ряд оригинальных оптических методов», — прокомментировал Евгений Ерманюк.

При дальнейших исследованиях ученые ИГиЛ СО РАН в сотрудничестве с коллегами из Лиона и Перми разработали несколько вариантов экспериментальных установок, позволяющих изучить характеристики волновой турбулентности в аттракторах внутренних волн. Это сложное явление, которое возникает при многократном отражении волн от границ области. Оказалось, что волны в аттракторе неустойчивы по механизму триадного резонанса. Возникающая в результате каскада неустойчивостей волновая турбулентность — это физическая модель абиссального перемешивания в океане. Наличие абиссального перемешивания принципиально необходимо для замыкания схемы глобальной циркуляции вод в океане. В отдельных областях океана из-за сложного рельефа дна и наличия параллельных подводных хребтов возникают сложные системы внутренних волн, в том числе волновых аттракторов, достаточно мощных диссипативных структур, отвечающих за локальное перемешивание. В последнее время исследования ученых из ИГиЛ СО РАН направлены на исследование каскада энергии во вращающейся жидкости, в результате которого возникают нетривиальные азимутальные структуры — вихревые кластеры, волны Россби и другие. Характеристики волновой турбулентности и крупномасштабных вихревых структур исследуются в физических и численных экспериментах с помощью современных методов постпроцессинга данных. 

Заведующий лабораторией биомеханики и многомасштабной механики сложных сред ИГиЛ СО РАН доктор физико-математических наук Александр Павлович Чупахин представил доклад «Комплексное исследование гемодинамики головного мозга: клинические и лабораторные эксперименты, математическое и компьютерное моделирование». 

«При изучении кровообращения важно исследовать не отдельно движение крови и отдельно сосуды, а взаимодействие потока крови в сосуде со стенкой этого сосуда и его окружением», — сказал Александр Чупахин. Для разветвлённой сложной сети разномасштабных сосудов необходимо учитывать их геометрию. При этом гемодинамика работает по-разному, сосуды различаются по своим прочностным и реологическим свойствам, следовательно, необходимо опираться на реологию (деформационные свойства и текучесть веществ) и механику прочности. Сложный характер ламинарного течения крови, изобилующий вихревыми зонами и вторичными течениями, заставляет обращаться к гидродинамике и реологии жидкости. Течение крови в сосуде представляет собой единый гидроупругий комплекс «поток крови — вязкоупругая стенка сосуда — окружение сосуда», для понимания которого необходимо понимание гидроупругости. 

Александр Чупахин более подробно рассказал о применении результатов работ при проведении операций. В частности, об использовании компьютеризованного приборно-измерительного комплекса для того, чтобы фиксировать изменение параметров кровеносной системы в ходе операции. «Это позволяет судить об эффективности действий», — отметил он. Кроме того, разработан новый алгоритм эндоваскулярного лечения артериовенозных мальформаций (аномальных соединений между артериями и венами в обход капиллярной системы), а совместно с коллегами из Международного томографического центра СО РАН под руководством члена-корреспондента РАН Андрея Александровича Тулупова проводится серия экспериментов, направленных на изучение механики стенок сосудов совместно с гидродинамическими процессами. 

Многие из результатов, полученные специалистами ИГиЛ СО РАН совместно с коллегами из ряда научных и медицинских учреждений, уже нашли применение в разработке новых методов лечения сосудистых патологий. 

Врио директора Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН доктор физико-математических наук Евгений Иванович Краус рассказал о численном конструировании гетерогенных материалов с заданными свойствами.

«Перед нами стояла цель — получение физико-механических свойств гетерогенных материалов в экстремальных условиях, — пояснил учёный. — Для этого необходимо было установить закономерности динамического отклика, деформирования и разрушения гетерогенной среды при высокоскоростном соударении (до 20 км/с) при сложных условиях нагружения. Еще одна важная задача заключалась в том, чтобы создать отечественный программный пакет численного конструирования гетерогенных материалов с заданными свойствами».

По словам Евгений Крауса, для достижения намеченных крупных целей понадобилось решить ряд более мелких, но не менее важных задач. «Во-первых, нам нужно было создать численный инструментарий и реализовать в нем уравнения баланса массы, импульса и энергии, — объяснил исследователь. — Во-вторых, разработать малопараметрическое уравнение состояния для гомогенных материалов с учётом плавления, а также уравнение процесса, учитывающее изменения механических свойств материала от давления и температуры. В-третьих, создать автоматический генератор сетки для произвольных геометрий и реализовать критерии разрушения. Для этого необходимо было разработать модель разрушенного материала и реализовать контактные условия по гибридной схеме (сеточного и бессеточного) методов. В-четвёртых, провести верификацию и валидацию программного кода и создать модель гетерогенного материала. И наконец, разработать отечественный программный пакет, позволяющий осуществлять численное конструирование гетерогенных материалов с заданными свойствами».

Созданный специалистами программный комплекс, получивший название REACTOR 3D, позволяет проводить численный эксперимент по динамическому воздействию на гетерогенные, гомогенные материалы и конструкции, обеспечивая импортозамещение зарубежных пакетов (например, LS-DYNA, ANSYS и другие). «Разработанный нами программный комплекс с помощью модели прямого численного моделирования может предсказывать отклик гетерогенной среды от высокоэнергетического воздействия и с высокой точностью воспроизводить процессы деформирования, разрушения, образования кратера и формирование запреградного облака в гетерогенных средах. Также REACTOR 3D дает возможность конструировать структуру гетерогенного материала для формирования заданных физико-механических свойств», — заключил Евгений Краус.

Источник: «Наука в Сибири».

Новости Российской академии наук в Telegram →