Самосборка и фазовые превращения в двумерных коллоидных системах с межчастичным взаимодействием, управляемым внешним вращающимся электрическим полем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-19-01691

НазваниеСамосборка и фазовые превращения в двумерных коллоидных системах с межчастичным взаимодействием, управляемым внешним вращающимся электрическим полем

Руководитель Юрченко Станислав Олегович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова Коллоидные системы, управляемые взаимодействия, фазовые переходы, самосборка, фотонные кристаллы, водные растворы электролитов, молекулярная динамика

Код ГРНТИ29.19.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Создание технологий синтеза новых материалов с заданными свойствами на основе самосборки представляет собой актуальную задачу фундаментальных и прикладных исследований в современных науках о материалах и физики мягкой материи. В частности, перспективным классом таких материалов являются оптические среды с пространственно-периодическими свойствами, т.н. фотонные кристаллы и метаматериалы, интенсивно изучающиеся в последнее время. Традиционо-используемая технология седиментации частиц в коллоидной суспензии в гравитационном поле обладает рядом принципиальных недостатков. Это стимулирует исследования в области управления взаимодействиями, фазовыми превращениями и равновесиями при помощи внешних полей. Однако использование магнитных полей уместно только для суспензий магнитных частиц, тепловые и химические поля трудно регулировать с высокой точностью, а оптические поля требуют довольно выраженного контраста диэлектрических свойств частиц и сольвента. Наиболее универсальным оказывается использование внешних электрических полей. В связи с отмеченным, разработка новых подходов к управлению самосборкой коллоидных частиц и поиск эффективных экспериментальных режимов реализации такой самосборки представляет собой актуальную научную и технологическую проблему, решение которой обладает фундаментальной и прикладной ценностью. Настоящий проект направлен на фундаментальное исследование характера взаимодействий между коллоидными микрочастицами, явлений самосборки и фазовых превращений, возникающих в коллоидных суспензиях при их помещении в управляющее внешнее вращающееся электрическое поле. В рамках проекта будут проведены взаимодополняющие экспериментальные, теоретические и вычислительные исследования. Масштаб решения предлагаемой научной задачи характеризуется ее широкой прикладной и фундаментальной значимостью. Центральным объектом исследования в настоящем проекте являются двумерные коллоидные системы, помещенные во внешнее вращающееся электрическое поле. В настоящем проекте предполагается использование быстроизменяющихся (по сравнению с характерными временами броуновского движения коллоидных частиц в сольвенте) электрических полей (характерные частоты 10-400 кГц, амплитуды до 1 кВ/мм). Изучаемые коллоиды представляют собой суспензию диэлектрических частиц (например, полимеры, диоксид кварца) в деионизированной воде и в водных растворах электролитов. Приложенное внешнее электрическое поле поляризует коллоидные частицы, а также индуцирует токи анионов и катионов в сольвенте. Вследствие этого, во внешнем электрическом поле существенно изменяется характер взаимодействия между коллоидными частицами. В результате, возникает возможность управления характером взаимодействия и структурами, которые возникают в результате самосборки и фазовых переходов в таких системах. Результаты проекта представляют интерес для технологий новых материалов, состоящих из микро- и наночастиц, которые используются, в частности, в сенсорике, катализе, технологиях конверсии света и, в частности, разработки новых источников терагерцового излучения для спектроскопических и биомедицинских приложений, производственного и эксплуатационного контроля полимерных материалов. Кроме прикладной значимости, ожидаемые результаты обладают фундаментальной значимостью. Движение коллоидных частиц может быть визуализировано при помощи видеосъемки. В результате, такие системы представляют собой настоящую "лабораторию" для изучения физики двумерных жидкостей и кристаллов, когда отдельные коллоидные частицы выступают в роли псевдоатомов. Это позволит лучше понять роль притяжения между частицами в таких фундаментальных явлениях как плавление, бинодальный распад, кристаллизация, движение дислокаций, фазовые переходы кристалл-кристалл и т.п. В данном случае, будут исследованы системы, в которых наряду с ветвью отталкивания, потенциал содержит регулируемую ветвь притяжения. Это принципиально отличает настоящие исследования от аналогичных исследований в коллоидной физике и комплексной (пылевой) плазме, где взаимодействие является, как правило, отталкивающим. Поставленные в рамках проекта задачи обладают высокой степенью научной новизны, которая обусловлена (1) новизной объекта исследования (тема регулируемых взаимодействий в коллоидах исследована недостаточно), (2) новизной методов исследования (будут созданы новые экспериментальные установки, разработаны новые программные пакеты для расчетов), (3) новизной ожидаемых результатов – насколько нам известно, явления фазовых переходов, равновесий, самосборки в комплексных средах во внешних полях, рассматриваемых в проекте, систематически не изучались. Для решения комплекса междисциплинарных задач научного проекта состав коллектива исполнителей включает исследователей из различных отраслей научного знания – технических наук в области коллоидной химии и технологий, кристаллографии, лазерной техники и оптики, а также физико-математических наук, чьи интересы лежат в области физики конденсированного состояния, сильно взаимодействующих систем, самосборки и фазовых переходов. Таким образом, проблемы, изучаемые в настоящем гранте, носят междисциплинарный характер и будут интересны специалистам из различных областей наук о материалах, оптики, физики мягкой материи, микрофлюидики, коллоидной химии, химического катализа, гидродинамики и физической кинетики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Крючков Н.П., Юрченко С.О., Фомин Ю.Д., Циок Е.Н., Рыжов В.Н. Complex crystalline structures in a two-dimensional core-softened system SOFT MATTER, Vol. 14(11), P. 2152-2162 (год публикации - 2018)
10.1039/c7sm02429k

2. Храпак С.А., Крючков Н.П., Юрченко С.О. Thermodynamics and dynamics of two-dimensional systems with dipolelike repulsive interactions PHYSICAL REVIEW E, Vol. 97(2), P. 022616 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevE.97.022616

3. Юрченко С.О., Комаров К.А., Крючков Н.П., Зайцев К.И., Бражкин В.В. Bizarre behavior of heat capacity in crystals due to interplay between two types of anharmonicities Journal of Chemical Physics, Vol. 148(13) P. 134508 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5022969

4. Крючков Н.П., Яковлев Е.В., Горбунов Е.А., Кюдель Л., Липаев А.М., Юрченко С.О. Thermoacoustic Instability in Two-Dimensional Fluid Complex Plasmas PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. 121(7) P. 075003 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevLett.121.075003

5. Храпак С.А., Крючков Н.П., Мистрюкова Л.А., Храпак А.Г., Юрченко С.О. Collective modes of two-dimensional classical Coulomb fluids Journal of Chemical Physics, Vol. 149(13), P. 134114 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5050708

6. Комаров К.А., Крючков Н.П., Юрченко С.О. Tunable interactions between particles in conically rotating electric fields SOFT MATTER, Vol 14(47), P. 9657 (год публикации - 2018)
10.1039/C8SM01538D

7. Крючков Н.П., Ивлев А.В., Юрченко С.О. Dissipative phase transitions in systems with nonreciprocal effective interactions SOFT MATTER, Vol. 14(47), P. 9720 (год публикации - 2018)
10.1039/C8SM01836G

8. Яковлев Е.В., Корсакова С.А., Зайцев К.И., Алиев И.Н., Юрченко С.О. Microscopy of tunable assembly of cells in external alternating electric fields Proceedings - International Conference Laser Optics 2018, Article number 8435849 (год публикации - 2018)
10.1109/LO.2018.8435849

9. Яковлев Е.В., Трошина А.В., Корсакова С.А., Андроник М., Родионов И.А., Алиев И.Н., Зайцев К.И., Черкасова О.П., Тучин В.В., Юрченко С.О. Colloidal suspensions in external rotating electric field: Experimental studies and prospective applications in physics, material science, and biomedicine Progress in Biomedical Optics and Imaging - Proceedings of SPIE, Vol. 10716, P. 1071618 (год публикации - 2018)
10.1117/12.2315134

10. Яковлев Е.В., Комаров К.А., Овчаров П.В., Крючков Н.П., Юрченко С.О. Регулируемые взаимодействия и фазовые переходы в коллоидных суспензиях во вращающихся электрических полях: исследования с кинетическим разрешением XVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (год публикации - 2018)

11. Горбунов Е.А., Крючков Н.П., Яковлев Е.В., Юрченко С.О. Термоакустическая неустойчивость в комплексной пылевой плазме XVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (год публикации - 2018)

12. Комаров К.А., Юрченко С.О. Парное взаимодействие в коллоидах в конически-вращающихся электрических полях XVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (год публикации - 2018)

13. Корсакова С.А., Яковлев Е.В., Овчаров П.В., Юрченко С.О. Экспериментальное исследование динамики дислокаций в двумерных коллоидных кристаллах с регулируемым межчастичным притяжением XVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (год публикации - 2018)

14. Крючков Н.П., Юрченко С.О. Диссипативные фазовые переходы в системах c нарушенным третьим законом ньютона для эффективных взаимодействий между частицами XVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (год публикации - 2018)

15. Мистрюкова Л.А., Крючков Н.П., Бражкин В.В., Юрченко С.О. Влияние мягкости межчастичного взаимодействия на коллективную динамику двумерных классических жидкостей XVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (год публикации - 2018)

16. Овчаров П. В., Крючков Н. П., Яковлев Е.В., Зайцев К. И., Юрченко С. О. Метод идентификации фаз при спинодальном распаде в двумерных коллоидных системах XVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (год публикации - 2018)

17. Горбунов Е.А., Зайцев К.И., Зотов А.К., Яковлев Е.В., Алиев И.Н., Крючков Н.П., Денисов Л.К., Карасик В.Е., Юрченко С.О. Enhanced high-harmonic generation in photonics crystal: theoretical and experimental studies Proceedings of SPIE, Vol. 10367, P. UNSP 1036703 (год публикации - 2017)
10.1117/12.2272954

18. Крючклв Н.П., Смаленбург Ф., Ивлев А.В., Юрченко С.О., Лёвен Х. Phase diagram of two-dimensional colloids with Yukawa repulsion and dipolar attraction Journal of Chemical Physics, Vol. 150(10), P.104903 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5082785

19. Храпак С.А., Храпак А.Г., Крючков Н.П., Юрченко С.О. Onset of transverse (shear) waves in strongly-coupled Yukawa fluids Journal of Chemical Physics, Vol 150(10), P. 104503 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5088141

20. Рыжков Н.В., Нестеров П., Мамчик Н.А., Юрченко С.О., Скорб Е.В. Localization of Ion Concentration Gradients for Logic Operation Frontiers In Chemistry, Vol. 7, P. 419 (год публикации - 2019)
10.3389/fchem.2019.00419

21. Крючков Н.П., Мистрюкова Л.А., Бражкин В.В., Юрченко С.О. Excitation spectra in fluids: How to analyze them properly Scientific Reports, Vol. 9, P. 10483 (год публикации - 2019)
10.1038/s41598-019-46979-y

22. Крючков Н.П., Бражкин В.В., Юрченко С.О. Anticrossing of Longitudinal and Transverse Modes in Simple Fluids Journal Of Physical Chemistry Letters, Vol. 10(15), P. 4470 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpclett.9b01468

23. Яковлев Е.В., Крючков Н.П., Овчаров П.В., Питиет К., Сапелкин А.В., Юрченко С.О. Defect-governed double-step activation and directed flame fronts Physical Review E, Vol/ 100(2), P. 023203 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevE.100.023203

24. Яковлев Е.В., Чаудхури М., Крючков Н.П., Овчаров П.В., Сапелкин А.В., Юрченко С.О. Experimental validation of interpolation method for pair correlations in model crystals Journal of Chemical Physics, Vol. 151(11), P. 114502 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5116176

25. Кедель Л., Носенко В.М., Жданов С., Ивлев А.В., Лаут И., Яковлев Е.В., Крючков Н.П., Овчаров П.В., Юрченко С.О. Experimental studies of two-dimensional complex plasma crystals: waves and instabilities Успехи физических наук, УФН 189 1070 (год публикации - 2019)
10.3367/UFNr.2019.01.038520

26. Крючков Н.П., Мистрюкова Л.А., Алиев И.Н., Юрченко С.О. Dissipative spinodal decomposition in systems with nonreciprocal effective interactions Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1135 P. 012093 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1135/1/012093

27. Яковлев Е.В., Овчаров П.В., Юрченко С.О. "Tunable colloids": Experimental complex for studying generic phenomena in classical condensed matter Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1135 P. 012039 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1135/1/012039

28. Комаров К.А., Ярков А.В., Юрченко С.О. Diagrammatic method for tunable interactions in colloidal suspensions in rotating electric or magnetic fields The Journal of Chemical Physics (год публикации - 2019)

29. Овчаров П.В., Крючков Н.П., Зайцев К.И., Юрченко С.О. Particle-Resolved Phase Identification in Two-Dimensional Condensable Systems JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C, 121 (48), pp 26860–26868 (год публикации - 2017)
10.1021/acs.jpcc.7b09317

30. Юрченко С.О., Яковлев Е.В., Кюдель Л., Крючков Н.П., Липаев А.М., Наумкин В.Н., Кислов А.Ю., Овчаров П.В., Зайцев К.И., Воробьев Е.В., Морфилл Г.Е., Ивлев А.В. Flame propagation in two-dimensional solids: Particle-resolved studies with complex plasmas PHYSICAL REVIEW E, Volume: 96, Issue: 4, Article Number: 043201 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevE.96.043201

31. Яковлев Е.В., Комаров К.А., Зайцев К.И., Крючков Н.П., Кошелев К.И., Зотов А.К., Шелестов Д.А., Толстогузов В.Л., Курлов В.Н., Ивлев А.В., Юрченко С.О. Tunable two-dimensional assembly of colloidal particles in rotating electric fields SCIENTIFIC REPORTS, Vol. 7, P. 13727 (год публикации - 2017)
10.1038/s41598-017-14001-y

Публикации