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 17-19-01691
НазваниеСамосборка и фазовые превращения в двумерных коллоидных системах с межчастичным взаимодействием, управляемым внешним вращающимся электрическим полем
РуководительЮрченко 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
Период выполнения при поддержке РНФ | 2017 г. - 2019 г. | , продлен на 2020 - 2021. Карточка проекта продления (ссылка) |
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 словаКоллоидные системы, управляемые взаимодействия, фазовые переходы, самосборка, фотонные кристаллы, водные растворы электролитов, молекулярная динамика
Код ГРНТИ29.19.15
СтатусУспешно завершен
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.
Ожидаемые результаты
В результате проекта будут проведены фундаментальные исследования характера взаимодействий между коллоидными микрочастицами, явлений самосборки, фазовых превращений и равновесий, возникающих в коллоидных суспензиях при их помещении в управляющее внешнее вращающееся электрическое поле.
Масштаб решения предлагаемой научной задачи характеризуется ее широкой прикладной и фундаментальной значимостью.
Будут систематически изучены экспериментально, теоретически и при помощи моделирования методом молекулярной динамики двумерные коллоидные системы, помещенные во внешнее быстро вращающееся (по сравнению с характерными временами броуновского движения коллоидных частиц в сольвенте)электрическое поле (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. Также, будут проведены исследования фазовых равновесий и переходов в анизотропных электрических полях (с целью исследовать возможность сборки квадратных решеток), а также с лазерным пинцетом и разогревом локальных областей.
Все научные задачи настоящего проекта являются новыми, соответствуют уровню ведущих мировых коллективов, работающих в области проекта.
Прикладная значимость решения перечисленных проблем связана с важностью создания технологий синтеза новых материалов с заданными свойствами на основе самосборки для самых разнообразных приложений в фотонике, сенсорике и т.д.
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 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.
Фундаментальный потенциал таких исследований очень велик, и остается нераскрытым.
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.
Успешной реализации проекта, публикации его результатов в высокорейтинговых журналах, их представлению на международных научных конференциях и популяризации, несомненно, поспособствует новизна предлагаемых исследований в сочетании с наличием у коллектива исполнителей опыта опубликования результатов исследований в высокорейтинговых журналах, а также наличием существенного теоретического и экспериментального задела по выбранному направлению.
В состав научной группы будут входить молодые исследователи – студенты и аспиранты МГТУ им. Н.Э. Баумана. Это позволит расширить кругозор молодых исследователей, поспособствует получению ими бесценного опыта проведения научных исследований совместно с состоявшимися в своих областях учеными. Результаты выполнения проекта найдут свое отражение в квалификационных работах молодых членов научной группы – бакалаврских, магистерских и кандидатских диссертациях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения первого этапа проекта коллективом исполнителей был решен широкий круг экспериментально-теоретических работ.
Согласно поставленным экспериментальным задачам была выполнена оптимизация и отладка экспериментальной установки. Cформулированы рекомендации к созданию экспериментальных ячеек, обеспечивающих максимальную степень однородности создаваемого поля. Выявлены оптимальные режимы работы экспериментальной установки. Отлажена методика постановки систематических воспроизводимых экспериментов с двумерными коллоидными системами, находящимися во внешних вращающихся полях. Реализован, отлажен и совмещен с экспериментальной установкой программный код пост-обработки экспериментальных данных в реальном времени. В частности, на основе разработанного алгоритма, созданный программный код позволил выполнять оценку положения экспериментально-наблюдаемой бинодали "газ-конденсат" в режиме реального времени. Построены предварительные экспериментальные фазовые диаграммы в области газ-конденсированное состояние для двумерной системы "диоксид кремния – вода", находящейся во внешнем вращающемся поле. Начата серия экспериментальных работ, направленных на непосредственное измерение парного межчастичного потенциала взаимодействия коллоидных частиц в экспериментальной установки при разных значениях вольтажа на электродах.
В рамках теоретических исследований разработана теоретическая модель парного межчастичного потенциала взаимодействия коллоидных частиц, находящихся во внешнем вращающемся электрическом поле. Получены простые аналитические выражения для парного потенциала. Проведена серия расчетов методом молекулярной динамики и Монте Карло, в результате которой были построены фазовые диаграммы двумерных коллоидных систем во внешнем вращающемся поле. Рассчитаны линии спинодали в области жидкость-газ на основе решения уравнения Орнштейна-Цернике с замыкающим соотношением Перкуса-Йевика. Реализован программный код для расчета эффектов локального поля в коллоидной суспензии, находящейся во внешнем электрическом поле. Выполнен оценочный расчет эффектов ренормировки локального поля в зависимости от плотности двумерной коллоидной суспензии.
Проведен цикл дополняющих исследований, направленных на установление новых закономерностей связи между динамикой, термодинамикой, фазовыми состояниям и парными корреляциями в системах с управляемым взаимодействием между частицами. Изучено распространение фронта неравновесного плавления в системах с регулируемым нарушением третьего закона Ньютона, что реализуется в комплексной (пылевой) плазме. Показана прямая аналогия этого явления с горением твердых тел. Получены простые соотношения, аппроксимирующие свободную энергию двумерных систем с дипольным отталкиванием в широком диапазоне параметров. Изучены системы с двухмасштабным отталкивающим потенциалом (core-softened interaction), и предложена простая модель, объясняющая механизм формирования квазикристаллов HD12 при переходе из квадратной в гексагональную решетку. Исследовано влияние энтропийного и энтальпийного ангармонизма на теплоемкость двумерных и трехмерных кристаллов.
В результате выполнения задач первого этапа проекта были опубликованы 3 работы в ведущих зарубежных журналах, индексируемых в Web of Science и относящихся к первому квартилю (Q1), а еще 3 работы поданы и находятся на рассмотрении. Полученные результаты были представлены на нескольких международных конференциях. Коллектив исполнителей уделил отдельное внимание задаче популяризации полученных результатов среди студентов младших курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана и на других площадках.
Публикации
1. 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) https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b09317
2. 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) https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.043201
3. 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) https://doi.org/10.1038/s41598-017-14001-y
4. - Российские физики изучили фронт «горения» кристаллов в комплексной плазме Газета.Ru, - (год публикации - )
5. - Российские ученые создали установку для изучения самосборки микрочастиц Газета.Ru, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе выполнения второго этапа проекта коллективом исполнителей был решен широкий круг экспериментально-теоретических работ.
1. В результате технического дооснащения экспериментальной установки, успешно проведена интеграция предварительной пост-обработки результатов со станцией управления экспериментом в режиме реального времени. Подготовлен эксперимент с лазерным разогревом локальных областей коллоидной суспензии и исследованием коллоидных кристаллов термочувствительных частиц (pNIPA).
2. Получены экспериментальная и теоретическая фазовая диаграмма для суспензий коллоидных частиц (2,12 мкм, диоксид кремния, PMMA) в водном сольвенте. Показано, что фазовые диаграммы содержат домены газа, жидкости, кристалла и сверхкритического флюида, демонстрируя универсальность поведения в окрестности критической точки для различной жесткости ближнего отталкивания.
3. Проведены экспериментальные исследования потенциала парного взаимодействия взаимодействия частиц в разряженных коллоидных суспензиях в слабых внешних полях (до спинодального распада). Проведено более 500 экспериментов и показано отличное согласие экспериментально-измеренных профилей потенциала с теоретическими.
4. Исследована дислокационная динамика в коллоидных кристаллах в широком диапазоне амплитуды внешнего электрического поля. Обнаружено, что в зависимости от размера кристаллита, реализуется сценарий поверхностного плавления (малый кластер), либо плавление протекает путем рождения дислокационных пар вдали от поверхности. Анализ динамики дислокаций показал, что частицы с семью соседями проявляют большую подвижность, чем частицы, окруженные пятью соседями.
5. Экспериментально и теоретически изучена активационная роль дефектов в неравновесном плавлении (аналог экзотермических реакций) на примере кристаллов комплексной (пылевой) плазмы. Обнаружено, что крупные (дефектные) частицы демонстрируют двухстадийную тепловую динамику, характерную для химических реакций с предравновесием. Впервые показано, что распространение фронтов пламен может управляться путем неоднородного распределения дефектов. Результаты важны для различных областей, от физической химии, химической физики и топливных материалов до термохимии и материаловедения.
6. Экспериментально и теоретически исследована динамика самосборки микрочастиц, а также кинетика нуклеации в процессе спинодального распада, индуцированного внешним электрическим полем. Найдены временные зависимости числа конденсированных кластеров и их размеров в различных экспериментах, выполнено систематическое моделирование методом молекулярной динамики для систем частиц, взаимодействующих посредством обобщенного потенциала Леннарда-Джонса (с различным индексом степени в ветви притяжения). Установлено, что характерный размер конденсированных капель в процессе нуклеации наиболее быстро растет в случае систем с взаимодействиями, близкими к потенциалу Леннарда-Джонса.
7. Парные и многочастичные взаимодействия между частицами в конически-вращающихся полях рассчитаны при помощи различных методов, включая метод независимых, самосогласованных диполей, а также метод граничного элемента. Впервые детально проанализирована точность разных методов. Обнаружено, что парное и трех-частичное взаимодействие дает основной вклад в энергию взаимодействия. Показано, что регулируемые взаимодействия могут изменяться в широком диапазоне, обеспечивая богатое разнообразие экспериментально-конструируемых взаимодействий, включая отталкивание, притяжение, сочетание короткодействующего отталкивания с дальнодействующим притяжением, взаимодействиями барьерного типа (с ближним притяжением и дальним отталкиванием), а также и двойным отталкивающим взаимодействием.
Результаты показывают, что регулируемые взаимодействия могут широко применяться в самосборке и кинетически-разрешенных исследованиях общих явлений в жидкостях и кристаллах и, следовательно, представляют большой интерес в областях химической физики, физической химии, материаловедения и мягкой материи.
8. Исследованы фазовые диаграммы 2D систем коллоидных частиц, взаимодействующих посредством изотропного потенциала с короткодействующим отталкиванием Юкавы и дальнодействующим дипольным притяжением. Используя компьютерное моделирование и уравнение Орнштайне-Цернике, мы рассчитали фазовую диаграмму, которая содержит газовые, кристаллические, жидкие и сверхкритические флюидные фазы. Плотности в критической и тройной точках фазовой диаграммы определяются мягкостью отталкивания Юкавы и поэтому могут регулироваться в условиях эксперимента. Было обнаружено, что бинодали жидкость-газ демонстрируют универсальное поведение, когда эффективная температура (заданная обратной величиной дипольного притяжения) нормируется значением в критической точке, а плотность нормируется квадратом диаметра Баркера-Хендерсона.
9. Впервые обнаружена термоакустическая неустойчивость в жидкой комплексной плазме. Эксперименты, теория и моделирование показали, что невзаимное эффективное взаимодействие между частицами (опосредуемое плазменными потоками) обеспечивает положительную тепловую обратную связь, ведущую к усилению акустических волн. Результаты открывают физическую аналогию между коллективной флуктуационной динамикой в реактивных средах и системами с невзаимными эффективными взаимодействиями, подверженными тепловой активации.
10. Впервые теоретически обнаружена возможность реализации динамической бистабильности и диссипативного спинодального распада в широком классе систем с невзаимными эффективными взаимодействиями. Выведен критерий, при котором система с невзаимными силами может быть строго приведена к псевдогамильтоновой системе с детальным динамическим равновесием. Однако в общем случае, когда этот критерий не выполняется, показано, что установившееся состояние определяется конкуренцией между диссипацией и выделением энергии из-за невзаимности взаимодействий.
Диссипативный спинодальный распад в системах с невзаимными силами взаимодействия обнаружен впервые и может происходить в различных диссипативных системах, включая квантовые жидкости, открытые атомные многочастичные системы, нейросети и мульти-агентные системы, диссипативные фотонные системы, активную мягкую материю (суспензии и эмульсии) и комплексные плазмы.
11. Исследована коллективная динамика в системах частиц Юкавы, квазикристаллический подход развит для описания поперечных (сдвиговых) волн в сильно связанных жидкостях частиц Юкавы с учетом длинноволновой неустойчивости поперечных мод. Показано, что теоретические дисперсионные кривые хорошо согласуются с данными молекулярно-динамических расчетов, а также экспериментальными данными о поперечных возбуждениях в жидких металлах, полученными с использование неупругого рассеяния нейтронов.
В результате выполнения задач 2018 года опубликованы 7 статей в ведущих зарубежных журналах, индексируемых в Web of Science и относящихся к первому квартилю (Q1), а еще 3 работы поданы и находятся на рассмотрении. Полученные результаты были представлены в 28 докладах на международных конференциях, симпозиумах и семинарах.
Коллектив исполнителей уделил отдельное внимание задаче популяризации полученных результатов среди студентов младших курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана и на других площадках, а также развитию международного сотрудничества с ведущими научными группами в области проекта.
Публикации
1. 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) https://doi.org/10.1039/C8SM01538D
2. 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) https://doi.org/10.1039/C8SM01836G
3. 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) https://doi.org/10.1039/c7sm02429k
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) https://doi.org/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) https://doi.org/10.1063/1.5050708
6. 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) https://doi.org/10.1103/PhysRevE.97.022616
7. 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) https://doi.org/10.1063/1.5022969
8. 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) https://doi.org/10.1117/12.2272954
9. 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)
10. 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)
11. 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)
12. 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)
13. 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)
14. 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)
15. 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)
16. 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) https://doi.org/10.1109/LO.2018.8435849
17. 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) https://doi.org/10.1117/12.2315134
18. - Российские ученые обнаружили аномалии в изменении теплоемкости кристаллов Газета.ru, - (год публикации - )
19. - Кварцевые шарики в «шубках» из полимеров проявили аномальные для кристаллов свойства Индикатор.ru, - (год публикации - )
20. - Кварцевые шарики в «шубках» из полимеров проявили аномальные для кристаллов свойства Nanonewsnet, - (год публикации - )
21. - Обнаружен новый механизм генерации звука в жидкой комплексной плазме Газета.ru, - (год публикации - )
22. - Физики увидели «песни» пламени на уровне отдельных частиц Индикатор.ru, - (год публикации - )
23. - Thermoacoustic Instability in Two-Dimensional Fluid Complex Plasmas Lenr Cmns @LAM_Exercise, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Проведены экспериментальные и теоретические исследования индуцированного локальным разогревом плавления в коллоидных кристаллах. Были использованы термочувствительные коллоидные сферы из микрогеля N-изопропилакриламида (NIPA). Обнаружено отчетливое формирование фронта плавления и разработана теоретическая модель, согласно которой параметр нерегулярности играет роль, аналогичную температуре в обычных кристаллах и кристаллах комплексной пылевой плазмы. Эксперименты были дополнены симуляциями методом молекулярной динамики (МД). Сравнение результатов экспериментов, численных расчетов и теоретических исследований показало, что разработанная модель отлично описывает распространение фронта плавления.
2. Экспериментально исследована управляемая самосборка коллоидных частиц в кристаллические пленки и изучена эволюция доменов в условиях различного притяжения между частицами. Обнаружено, что при помощи вращающегося электрического поля можно управлять размером доменов в коллоидных кристаллах, а скорость рекристаллизации демонстрирует немонотонную зависимость от амплитуды регулируемого притяжения.
3. Экспериментально исследованы парные корреляции в коллоидных и плазменных кристаллах, проведено сравнение с теоретическими исследованиями для формы корреляционных пиков. В 2014-2018 гг. в был разработан интерполяционный метод (IM) [The Journal of Chemical Physics 143, 034506 (2015); J Phys: Cond Matt 28, 235401 (2016); Soft Matter 14, 2152-2162 (2018)], который позволяет точно описать форму парных корреляционных пиков на близких и дальних расстояниях. IM был разработан теоретически, но еще никогда не проверялся экспериментально. В 2019 году была впервые поставлена серия экспериментов с 2D и 3D коллоидами и 2D плазменными кристаллами с целью точного измерения парных корреляционных функций в различных кристаллах. Было показано, что, благодаря высокой точности, IM можно использовать для экспериментального измерения параметров взаимодействия между частицами в этих системах. Впервые в рамках одного исследования использованы 3D и 2D коллоидные кристаллы и 2D плазменные кристаллы, чтобы исследовать применимость IM в системах с мягким отталкиванием и отталкиванием типа твердых сфер. Результаты достоверно доказывают, что IM может эффективно использоваться для анализа парных корреляций и взаимодействий в широком спектре физических систем и, следовательно, представляет большой интерес для физики конденсированной материи, комплексной плазмы, химической физики, физической химии, материаловедения и физики мягкой материи.
Результаты были опубликованы в статье [The Journal of Chemical Physics 151, 114502 (2019)], которая вошла в "2019 The JCP Emerging Investigators Special Collection" – Специальную коллекцию статей The Journal of Chemical Physics под руководством молодых ученых, отобранных редакторами в знак признания превосходной работы.
4. Экспериментально исследовано плавление кристаллических кластеров различного размера. Установлено, что чем больше кластер, тем выше эффективная температура плавления. Это согласуется с результатами оценочных расчетов методом молекулярной динамики для кластеров частиц, взаимодействующих посредством отталкивания Дебая-Хюккеля + изотропное дипольное притяжение. Детально проанализирован рост числа дефектов в кластерах при их плавлении. Исследование дислокационной динамики в 2D кристаллических кластерах с управляемым межчастичным притяжением впервые показало, что функции распределения вероятностей времен оседлой жизни для кластеров разных размеров при различных значениях температур описываются степенной функцией, а насыщение кристалла дислокациями замедляет их прыжковую динамику и увеличивает среднее время их оседлой жизни.
5. Проведены пилотные экспериментальные исследования с разряженными суспензиями анизотропных частиц – микростержней во вращающемся электрическом поле. Установлено, что в изотропных вращающихся полях частицы равномерно вращаются в плоскости электродов, направление вращения совпадает с направлением вращения поля, скорость вращения зависит от частоты вращения поля – чем меньше частота вращения, тем ниже скорость вращения частиц. В анизотропных полях вращение частиц неравномерно, при вращении наблюдается задержка частиц в положении, соответствующем направлению главной оси анизотропии.
6. Исследовано взаимодействие продольных и поперечных возбуждений в жидкостях, в результате чего впервые обнаружено новое явление в физике жидкостей – антикроссинг продольный и поперечных возбуждений. Понимание спектров (продольных и поперечных) возбуждений в жидкостях имеет большое значение для разных областей физики, но долгое время оставалось неясно, насколько разные методы спектрального анализа согласуются друг с другом. В 2019 году мы показали, что эта проблема может быть решена с использованием модели двух осцилляторов для анализа спектров потоков скорости частиц, тогда как другие рассмотренные методы, включая анализ спектральных максимумов и одномодовый анализ, дают грубые результаты и становятся непригодными при высоких температурах и больших волновых числах. С использованием разработанного метода, было впервые обнаружено новое явление – антикроссинг продольных и поперечных возбуждений в простых жидкостях.
8. Разработан новый диаграммный метод для расчета регулируемых взаимодействий в коллоидах во внешних вращающихся электрических и магнитных полях. Проведены расчеты для регулируемых потенциалов взаимодействия и оценены параметры, при которых в перспективных экспериментах с коническими полями должны наблюдаться сложные кристаллы. Показано, что на основе диаграммного метода можно проиллюстрировать поляризацию и взаимодействия, а разные физические процессы могут быть представлены в виде различных диаграмм. Разные диаграммы (с соответствующими весовыми коэффициентами) можно использовать для интерполяции численных результатов, найденных методом граничного элемента. В итоге, был рассчитан многочастичный потенциал для проведения МД расчетов фазовой диаграммы и сравнения с экспериментами. Диаграммный метод для регулируемых взаимодействий разработан впервые, обеспечивает значительный прогресс в теоретических методах анализа взаимодействий в коллоидах и, следовательно, представляет большой интерес для физики конденсированного состояния, химической физики, физической химии, материаловедения и мягкой материи.
Статья по итогам результатов вошла в "2019 The JCP Emerging Investigators Special Collection" –специальную коллекцию статей The Journal of Chemical Physics под руководством молодых ученых, отобранных редакторами в знак признания превосходной работы, а также отобрана редакторами как одна из лучших работ The Journal of Chemical Physics – "Featured Article".
9. Алгоритм распознавания конденсированных фаз при коллоидной самосборке, разработанный ранее для 2D систем, обобщен для 3D систем. Новые метод применим как для моделирования, так и для экспериментов с 3D коллоидными системами, когда рассматриваемые системы могут подвергаться спинодальному распаду. Представленные результаты актуальны для широкого круга проблем физической химии, химической физики, материаловедения и физики мягкой материи.
В результате выполнения задач 2019 года опубликованы 9 статей в ведущих зарубежных журналах, индексируемых в Web of Science Core Collection и Scopus и относящихся к первому квартилю (Q1, scimagojr.com). Полученные результаты были представлены в 20 докладах и лекциях на международных и российских конференциях, симпозиумах и семинарах.
Коллектив исполнителей уделил особое внимание популяризации полученных результатов среди студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана и на других площадках, а также развитию международного сотрудничества с ведущими научными группами в области проекта.
Публикации
1. 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)
2. 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) https://doi.org/10.1063/1.5082785
3. 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) https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b01468
4. 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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1135/1/012093
5. 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) https://doi.org/10.1038/s41598-019-46979-y
6. 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) https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00419
7. 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) https://doi.org/10.1063/1.5088141
8. 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) https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.023203
9. 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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1135/1/012039
10. 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) https://doi.org/10.1063/1.5116176
11. 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) https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.01.038520
12. - Выяснен механизм плавления кристалла плазмы indicator.ru, - (год публикации - )
13. - Исследователи изучили, как плавится кристалл плазмы gazeta.ru, - (год публикации - )
14. - Как и зачем ученым рассказывать о своих исследованиях, обсудили на круглом столе РНФ Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
1. Разработанная установка и найденные экспериментальные режимы самосборки могут применяться для создания монослойных коллоидных высокоупорядоченных (кристаллических) подложек для фотопроводящих антенн (например, для импульсных ТГц источников).
2. Разработанные технологические приемы работы с коллоидными суспензиями (исследование кристаллизации, анализ термодинамики и коллективной динамики) могут использоваться для создания технологий новых функциональных материалов на основе явления управляемой самосборки и самоорганизации.
3. Разработанные методы расчета и программные пакеты могут использоваться для расчета взаимодействий, структур и физико-механических свойств функциональных мягких коллоидных магнитных и электрических материалов с регулируемым межчастичным взаимодействием.