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 22-79-10216

НазваниеКомплексное исследование тепломассопереноса в испарительной литографии, физико-химических и геометрических параметров получаемых функциональных покрытий: эксперимент, теория и моделирование

РуководительКолегов Константин Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный университет имени В.Н. Татищева", Астраханская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)

Ключевые словафункциональные покрытия, микро- и наноструктуры, испарительная литография, капли и пленки, капиллярные потоки, эффект Марангони, коллоидные частицы, фазовые переходы

Код ГРНТИ29.19.22

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интенсивное развитие технологий невозможно без разработки новых производственных методов. В настоящее время создание миниатюрных приборов и устройств, получение материалов и покрытий с различными функциональными свойствами и разработка программного обеспечения для моделирования технологических процессов с целью их оптимизации являются актуальными направлениями в технологическом и экономическом развитии нашего социума. Во всем мире наблюдается серьезная конкуренция в этих направлениях, напоминающая, эволюционные процессы в природе. Если вовремя не сосредоточиться на каком-то новом и перспективном направлении и не проявить упорство в работе, то можно безнадежно отстать. Зачастую это требует больших человеческих, технических, финансовых и материальных ресурсов. Разработка микро- и наноструктурированных покрытий важна для различных областей деятельности: микро- и оптоэлектроника, биотехнологии, медицинская диагностика, нанотехнологии и другие. Топографически структурированные коллоидные осадки и твердые пленки, к примеру, связаны с такими приложениями, как функциональные покрытия, фотонные кристаллы, прозрачные гибкие электропроводные покрытия, струйная печать, лаборатории на чипе, биосенсоры и миниатюрные медицинские устройства. Число подобных приложений велико и продолжает возрастать. Существуют разные методы получения таких структур: самоорганизационные методы (например, дегидратационная самоорганизация), литографические подходы (фотолитография, наноимпринт литография, капиллярная литография, наносферная литография и прочее) и другие технологии (например, спин-коутинг, дип-коутинг, дай-коутинг, метод Ленгмюра–Блоджетт и т.п.). Каждый из этих методов подходит для разных задач и характеризуется теми или иными преимуществами и недостатками. Относительно новый и перспективный метод формирования структурированных осадков и покрытий, которому посвящен заявляемый проект, называется испарительная литография. Вовсе не предполагается, что в будущем испарительная литография заменит все упомянутые выше методы. Скорее всего, она гармонично их дополнит, так как является в некоторых случаях предпочтительней. Испарительная литография – это метод, основанный, как правило, на одноступенчатом процессе, не требующий сложного и дорогостоящего оборудования, применимый к различным материалам и поверхностям без предварительной обработки. Несмотря на то, что первые идеи и скромные попытки в этом направлении возникли около 20 лет назад [Routh & Russel, AIChE J, 1998; Deegan et al., Phys. Rev. E, 2000], а более детальные эксперименты и математические модели по некоторым вариациям метода около 10 лет назад и менее ([Harris et al., Philos Trans R Soc A Math Phys Eng Sci, 2009; Parneix et al. Phys Rev Lett, 2010; Georgiadis et al., Soft Matter, 2011; Salas et al., J Phys ChemC, 2012; Arshad & Bonnecaze, Nanoscale, 2013; Vodolazskaya & Tarasevich, Eur Phys J E, 2017; Kolegov, Microgravity Sci Technol 2018] и другие), необходимо проделать еще больший объем работы, прежде чем данный метод начнет широко и активно применяться в технологическом производстве. На этом относительно коротком промежутке времени (1998–2021 гг.) наблюдается трансформация фундаментальных исследований в прикладные, от объяснения эффекта кофейных колец до разработки конкретных приложений. Наш недавний анализ [Kolegov & Barash, Adv. Colloid Interface Sci., 2020] позволил определить основные достижения и проблемы в области испарительной литографии, предложить дальнейшие возможные пути их решения и сосредоточиться на конкретной работе. Одна из проблем заключается в том, что на данный момент, испарительная литография уступает некоторым методам самоорганизации, вызванной испарением (например, основанные на периодическом движении и закреплении краевой границы), по такой характеристике, как пространственное разрешение формируемого узора. Но с другой стороны она предоставляет больше возможностей с точки зрения разнообразия геометрических форм получаемых структур. Таким образом, одно из направлений дальнейшей работы должно быть связано с уменьшением размеров отдельных периодически повторяющихся элементов структур. На наш взгляд, необходимо двигаться по пути гибридизации методов, чтобы решить данную проблему. Еще одна проблема связана с малой площадью формируемых осадков и покрытий. Для некоторых приложений бывает недостаточно топографически структурированных поверхностей с площадью, измеряемой в квадратных миллиметрах или сантиметрах. В этом направлении также нужны дополнительные численные и экспериментальные исследования. Еще одно поле для деятельности заключается в исследовании новых способов контроля неравномерного испарения в пространстве и времени, эффективных и простых с точки зрения промышленной реализации. Научная новизна наших исследований будет связана с построением более сложных математических моделей, которые будут учитывать еще большее число различных эффектов и точнее описывать процессы тепло- и массопереноса при неоднородном испарении капель и пленок, содержащих растворенное и взвешенное вещество, а также с проведением экспериментов и с разработкой новых модификаций данного метода. Речь идет о таких эффектах, как капиллярные потоки, течение Марангони, теплоперенос в трех фазах (воздух, жидкость, твердое тело), массоперенос в двух фазах (жидкость и воздух), потоки Рэлея–Бенара, влияние локальной концентрации и температуры раствора на гидродинамику, изменение вязкости раствора. Также планируется рассмотреть многокомпонентные растворы (с наборами частиц разной формы, размера и материала), силы взаимодействия частиц (капиллярные и электростатические), разные режимы трехфазной границы «жидкость–подложка–воздух» (закрепление краевой границы, движение этой границы и периодическая смена этих двух режимов), разные материалы подложек и ячеек, виды жидкостей с отличающимися физико-химическими параметрами, фазовые переходы (жидкость–пар, золь–гель, раствор–стекло и т.п.), учесть подвижные границы («жидкость–воздух», «осадок–жидкость») и многое другое. Наши исследования затронут различные модификации испарительной литографии, что позволит сделать детальное сравнение и анализ их возможностей. Будут рассмотрены разные подходы в управлении осаждением частиц, потоками жидкости, спеканием частиц и прочими процессами (применение композитных подложек с периодически варьируемыми параметрами, как, например, теплопроводность; локальный нагрев жидкости, например, световой или за счет точечных вмонтированных в подложку нагревателей; изменение концентрации пара в локальных областях с помощью источников потока воздуха и многое другое). Эти задачи являются вычислительно затратными из-за их сложности. Планируется использовать не только существующие пакеты программ для моделирования, но и для некоторых отдельных задач разработать комплекс программ с учетом их специфики. Модификация некоторых численных методов, разработка новых эффективных алгоритмов для высокопроизводительных вычислений на суперкомпьютерах (в том числе и на гибридных), создание программного обеспечения для моделирования также относятся к приоритетным направлениям. Моделирование позволит нам выявить ключевые параметры и диапазоны их значений для эффективного управления процессом и получения структур необходимой формы, площади и разрешения.

Ожидаемые результаты
Результаты моделирования позволят объяснить механизмы формирования микро- и наноструктур в процессе неоднородного высыхания коллоидных капель и пленок. На основании результатов численных расчетов будет сделан вывод о том, какие параметры системы можно использовать, чтобы управлять процессом и получать необходимые по форме и размеру осадки частиц. Будут проведены экспериментальные исследования и рассмотрены разные методы управления структурообразованием в испарительной литографии. Данное направление в настоящее время является мейнстримом. Множество научных групп из различных стран интенсивно работают в этом направлении. Проведенный анализ показал, что теоретические и экспериментальные исследования продвигаются в данном направлении относительно медленно. Таким образом, результаты проделанной работы будут соответствовать мировому уровню. В ходе выполнения проекта будут выработаны практические рекомендации, которые можно использовать для создания функциональных покрытий с применением композитных подложек, температурные свойства которых не постоянные, неравномерно нагретых поверхностей, внешних воздушных и световых источников, а также с использованием различных гибридных подходов. Это важно для создания функциональных покрытий. Внедрение исследуемых методов в производство позволит создавать новые материалы более эффективным способом. Будут разработаны модификации численных методов с учетом специфики поставленных задач. Также будут реализованы новые параллельные алгоритмы, позволяющие эффективно использовать суперкомпьютерное оборудование и получать результаты моделирования в разумный срок. Открытые библиотеки и модули для численного моделирования с подробным техническим описанием в дальнейшем могут быть адаптированы другими исследователями под близкие задачи. Кроме того, в дальнейшем разработанное программное обеспечение будет полезно для научного сообщества и инженеров.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Предложена модификация численного метода, в которой комбинируется расщепление по физическим процессам, итерационный метод явной релаксации и метод прогонки. Описан практический рецепт подавления пилообразных осцилляций на примере конкретной задачи. Разработан программный модуль для численного моделирования гидродинамики в каплях и плёнках на языке С++, который в дальнейшем можно будет использовать для задач испарительной литографии. С помощью этого модуля проведены численные расчёты, результаты которых сравнивались с результатами, полученными в пакете Maple. Численное моделирование предсказало случай, когда направление капиллярного потока в высыхающей на подложке капле с течением времени меняется на противоположное из-за изменения знака градиента плотности потока пара. Это может приводить к замедлению выноса вещества на периферию, что в результате будет способствовать формированию более или менее равномерного осадка по всей площади контакта капли с подложкой. Данное наблюдение полезно для совершенствования методов подавления кольцевых осадков, связанных с эффектом кофейных колец и нежелательных для некоторых приложений, как, например, струйная печать или нанесение покрытий. С препринтом статьи можно ознакомиться по адресу https://arxiv.org/abs/2301.06983 также как и с программным модулем, код которого находится в открытом доступе в Фонде алгоритмов и программ СО РАН (https://fap.sbras.ru/node/5114). Теоретически исследованы потоки в сплюснутой капле, подвешенной на круглом каркасе. Конвекция Марангони возникает из-за вертикального градиента температуры, связанного с внешним воздействием, поперек капли и обусловлена изменениями поверхностного натяжения на свободной границе. Используя аналитический подход для решений уравнения Стокса в координатах сплюснутого сфероида, получены линейно независимые стационарные решения для конвекции Марангони в терминах функций тока Стокса. На основе численного моделирования термокапиллярного движения в каплях исследовано возникновение стационарного режима. Как аналитические результаты, так и численные расчеты предсказывают осесимметричное циркулирующее конвективное движение в капле, динамика которого определяется величиной градиента температуры в поперечном направлении. Аналитические решения для критического распределения температуры и поля скорости получены для больших градиентов температуры поперек сплюснутой капли. Эти решения показывают боковое разделение критических и стационарных движений внутри капель. Критические вихри локализуются вблизи центральной части капли, а интенсивное стационарное течение – ближе к ее торцу. Переход к пределу плоской пленки исследуется в рамках применения функций тока путем приведения коэффициента эллиптичности капель к нулевому значению. Исходный стационарный режим для сильно сплюснутых капель становится неустойчивым по отношению к многовихревым возмущениям по аналогии с плоскими пленками жидкости со свободными границами. Препринт статьи доступен по адресу https://arxiv.org/abs/2304.14512 Разработана модель, позволяющая исследовать влияние тепловых эффектов, возникающих за счет охлаждения при испарении жидкости, на гидродинамические течения в каплях, размещенных в цилиндрических ячейках микрометрового размера. Исследовано влияние физических свойств подложки и жидкости на направление течений. Математическая модель базируется на законах сохранения вещества и энергии, уравнении теплопроводности и уравнении динамики жидкости в приближении смазки. Численный расчет модели, выполненный с помощью пакета FlexPDE, позволил определить границы безразмерных параметров модели, на которых происходит смена направлений течений. Опубликована статья: Водолазская И.В. Моделирование влияния физических свойств жидкости и подложки на направление течений в капле, испаряющейся из микроячейки // ПЕРМСКИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ЧТЕНИЯ Сборник статей по материалам VIII Всероссийской конференции, посвященной памяти профессоров Г. З. Гершуни, Е. М. Жуховицкого и Д. В. Любимова (г. Пермь, ПГНИУ, 5–7 октября 2022 г.). — Пермский государственный национальный исследовательский университет Институт механики сплошных сред УрО РАН: Издательский центр Пермского государственного национального исследовательского университета 614990, Пермь, ул. Букирева, 15, 2022.— С. 124-130, https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49953735 Проведено математическое моделирование гидродинамики в жидкой капле, испаряющейся из открытой цилиндрической ячейки микрометрового размера. Разработанная модель позволяет исследовать влияние тепловых эффектов, возникающих за счет охлаждения при испарении жидкости, на гидродинамические течения в капле. В работе учитывается зависимость поверхностного натяжения жидкости от температуры. Модель описывает диффузию пара в воздухе, распределение тепла в ячейке и в жидкости за счёт теплопроводности, термокапиллярный поток жидкости, движение двухфазной границы «жидкость–воздух» и компенсационный поток жидкости, возникающий в результате испарения. Математическая модель базируется на законах сохранения вещества и энергии, уравнении диффузии пара, а также на уравнении динамики жидкости в приближении тонкого слоя в комбинации с кинематическим подходом. Результаты расчета скорости течения в капле этиленгликоля согласно полученной аналитической формуле находятся в хорошем согласии с литературными экспериментальными данными. Принята к печати статья «Водолазская И.В. Моделирование гидродинамики в испаряющейся из цилиндрической микроячейки жидкости с использованием приближения тонкого слоя и кинематического подхода» в журнале «Вычислительная механика сплошных сред». Разработана математическая модель, описывающая испарение жидкой плёнки, состоящей из растворённого в спирте полимера (methanol–poly(vinyl acetate) solution with 67 wt.% methanol), на композитной подложке. Рассматривается алюминиевая подложка, на которую нанесён слой тефлона в виде полосы. Таким образом, тепловые свойства подложки являются пространственно неоднородными. Модель базируется на приближении смазки и учитывает капиллярные потоки, диффузию растворённого вещества, тепловые и концентрационные потоки Марангони, испарение жидкости (интенсивность зависит от температуры), фазовый переход «золь–гель» и пространственная неоднородность коэффициента теплопроводности подложки. Результаты проведённых тестовых расчётов позволили сделать заключение, что в данной системе доминирующим фактором, влияющим на массоперенос и формирование твердого рельефного покрытия в процессе испарения метанола, является концентрационный поток Марангони, что подтверждает гипотезу авторов эксперимента [Cavadini P. et al. Chem. Eng. Process. 2013, http://dx.doi.org/10.1016/j.cep.2012.11.008]. Численно предсказанная форма рельефного полимерного покрытия качественно согласуется с их экспериментальными измерениями. Выполнено исследование осаждения полистироловых частиц в ячейках с разной геометрией. От геометрии ячейки зависит кривизна свободной поверхности жидкости, а также локальная неоднородность плотности потока пара. В процессе испарения возникают капиллярные потоки, которые влияют на перенос и осаждение коллоидных частиц. Для проведения экспериментов были изготовлены ячейки с бортиками в форме круга, квадрата и треугольника. Рассмотрены случаи с водой и изопропиловым спиртом. Измерены краевые углы смачивания бортика и подложки, а также получены профили мениска (форма свободной поверхности жидкости в открытой ячейке). Показано, что на форму осадка влияет не только геометрия ячейки, но и летучесть жидкости. Экспериментально исследовано влияние неравномерного нагрева ячейки и её формы на геометрические характеристики собираемого кластера микрочастиц. Градиент температуры создаётся за счёт вмонтированного в подложку нагревательного элемента. Это приводит к градиенту поверхностного натяжения, и, как следствие, к возникновению термокапиллярного потока, который и переносит частицы.

 

Публикации

1. Водолазская И.В. Моделирование влияния физических свойств жидкости и подложки на направление течений в капле, испаряющейся из микроячейки ПЕРМСКИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ЧТЕНИЯ Сборник статей по материалам VIII Всероссийской конференции, посвященной памяти профессоров Г. З. Гершуни, Е. М. Жуховицкого и Д. В. Любимова (г. Пермь, ПГНИУ, 5–7 октября 2022 г.)., Пермский государственный национальный исследовательский университет Институт механики сплошных сред УрО РАН: Издательский центр Пермского государственного национального исследовательского университета 614990, Пермь, ул. Букирева, 15, 2022.— С. 124-130 (год публикации - 2022)

2. Водолазская И.В. Моделирование гидродинамики в испаряющейся из цилиндрической микроячейки жидкости с использованием приближения тонкого слоя и кинематического подхода Вычислительная механика сплошных сред, - (год публикации - 2023)

3. Колегов К.С., Золотарев П.А. Программа для моделирования формирования осадка в виде монослоя бинарной смеси микрочастиц разного размера при высыхании капли на гидрофильной подложке -, 2022665336 (год публикации - )

4. Колегов Константин Сергеевич Программа для моделирования массопереноса в высыхающей на подложке капле в приближении тонкого слоя -, PR23002 (год публикации - )