КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 18-19-00008

НазваниеКинетика фазовых переходов в метастабильных системах: нуклеация и рост кристаллов с приложениями к кристаллизации биохимических соединений

РуководительАлександров Дмитрий Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2022 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (28)

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

Ключевые словаФазовые переходы, нуклеация, рост кристаллов, кинетика, метастабильные системы, математическое моделирование, свойства материалов, приложения в химии и медицине.

Код ГРНТИ29.19.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы теории фазовых переходов – исследование нуклеации и роста кристаллов в метастабильных системах. Одними из основных направлений исследований проекта, представляющими собой его новизну, являются учёт 1) несферичности формы растущих кристаллов, 2) флуктуаций в скоростях роста зародышей и 3) описание перехода метастабильной системы с промежуточной на заключительную стадию фазового превращения. В рамках проекта будет сформулирован и решён ряд новых математических моделей, описывающих промежуточную и заключительную стадии фазового превращения в метастабильных растворах и расплавах с учётом этих факторов. В целом теоретическое описание нуклеации и роста кристаллов позволит определить динамику снятия переохлаждения (пересыщения) в системе, найти функцию распределения кристаллов по размерам и её моменты, аналитически определить частоту (темп) нуклеации в рамках различных кинетических механизмов, изучить эффект «диффузии» функции распределения по пространству размеров кристаллов, определить влияние формы и флуктуаций зародышей на динамику фазового превращения. В проекте запланировано развитие теории нуклеации и роста зародышей в метастабильных жидкостях в соответствии с общим поэтапным планом работ: I. Этап 2021 г. посвящён учёту несферичности формы кристаллов и описанию перехода метастабильной системы с промежуточной на заключительную стадию фазового превращения; II. Этап 2022 г. посвящён развитию этой теории на бинарные жидкости. Все этапы работы объединены между собой и выстроены в соответствии с усложнением соответствующих математических моделей, описывающих процессы нуклеации и роста кристаллов в различных физико-химических и биологических системах. Актуальность проекта состоит в большом количестве приложений разрабатываемой теории. Так, например, нуклеация и рост кристаллов контролируют такие процессы, как кристаллизация многокомпонентных систем в промышленных кристаллизаторах, зародышеобразование при спекании и горячем прессовании, рекристаллизация гетерогенных материалов, термическая нестабильность делящихся веществ, формирование требуемых свойств высокопрочных сталей, агрегирование в коллоидах и магнитных жидкостях, синтез белка (например, интерферон-альфа и гормон роста человека), кристаллизация гемоглобина С и полимеризация гемоглобина S, кристаллизация белков в сетчатке глаза (ответственная за образование катаракты) и т.д. В рамках исследований запланировано приложение развиваемой теории к описанию кристаллизации ряда важных биохимических соединений (таких, как гемоглобин А, лизоцим, ферменты глюкозы, фосфат и оксалат кальция, гематит и др.), что является прикладным аспектом проекта.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта будет дано теоретическое описание эволюции полидисперсного ансамбля частиц в метастабильной области фазового перехода с учётом несферичности формы растущих кристаллов, флуктуаций в скоростях роста зародышей и перехода метастабильной системы с промежуточной на заключительную стадию фазового превращения. При анализе интегро-дифференциальных моделей процесса нуклеации и роста частиц будут разработаны новые подходы к теоретическому описанию роста кристаллов, основанные на применении методов седловой точки, дифференциальных рядов, разложения искомых функций в ряды по малым параметрам, интегральных преобразований и др., что позволит установить аналитические зависимости для функции распределения кристаллов по размерам, её моментов, определить динамику снятия переохлаждения (пересыщения) системы, найти частоту нуклеации при различных кинетиках роста частиц в метастабильной области фазового превращения. Подробный план исследований и ожидаемые результаты приведены в разделах 4.2, 4.3 и 4.8 настоящей заявки. Научная значимость результатов заключается в развитии нового теоретического описания процесса эволюции полидисперсного ансамбля частиц с учётом несферичности формы растущих кристаллов, флуктуаций скоростей их роста на промежуточной стадии фазового перехода и описанию перехода системы к заключительной стадии оствальдова созревания. Общественная значимость результатов заключается в применении развиваемой теории к практическому использованию в науках о материалах, химической промышленности и биологии. В рамках проекта развиваемая теория будет применена к описанию кристаллизации ряда белков и инсулина, обладающих высокой значимостью в социальной сфере. Установление динамических законов роста кристаллов в метастабильных средах позволит управлять процессами фазовых превращений, а также оптимизировать экономические затраты на биохимические реагенты, используемые в современных кристаллизаторах и грануляторах. Учёт несферичности формы растущих кристаллов существенно расширяет прикладной аспект развиваемой теории для описания фазовых превращений в таких соединениях как гемоглобин А, лизоцим, ферменты глюкозы, фосфат и оксалат кальция, гематит и др. Результаты проекта соответствуют мировому уровню исследований и будут опубликованы в ведущих мировых высокоимпактных журналах, входящих в квартиль Q1.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ