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 24-67-00026
НазваниеОт нанометра к метру: как в пористых средах с иерархическим строением совершить прыжок в описании физических свойств на шесть порядков с минимальной потерей информационного содержания?
Руководитель Герке Кирилл Миронович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва
Конкурс №93 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-304 - Гидрогазодинамические явления в горных массивах
Ключевые слова Нанопористость, lab-on-a-chip, микрофлюидика, транспорт в нано-пористости, динамика структуры почвы, РЭМ, FIB-SEM, корреляционные функции, рентгеновская микротомография, сверточные нейронные сети, морфологическая репрезентативность, сегментация, набухание и усадка, совмещение микро- и нано-масштабов, инфомационное содержание
Код ГРНТИ28.17.23
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Предлагаемый проект направлен на решение научной проблемы создания модели для описания физических свойств иерархически построенных пористых сред на разных масштабах с учетом нанопористости, в том числе верифицированной с помощью экспериментов на основе «lab-on-a-chip». В качестве модели нанопористой среды мы предлагаем подсаживать в лабораторию на чипе органоминеральные отдельности, выделенные из почвогрунтов – это впервые позволит внести реальные объекты на микрочипы ввиду простоты их экстракции из пористой среды и сходства с породами-коллекторами. Решение предложенной проблемы невозможно без детального описания физических процессов, а также математического моделирования ключевых гидродинамических аспектов таких процессов с молекулярного к масштабу пор, и затем к масштабу сплошной среды. При этом мы предлагаем впервые провести оценку потерь информационного содержания при переходе к масштабу Дарси – это позволит понять, как и с каким разрешением по сетке надо проводить апскейлинг. Предлагаемая к разработке модель многофазной фильтрации с переходами на 6 порядков в размерах пор не имеет мировых аналогов.
Предлагаемые исследования позволят решить целый спектр фундаментальных задач:
- моделировать захоронение радиоактивных отходов в геологических формациях,
- повышать добычу углеводородов из нетрадиционных коллекторов (сланцы, нефтематеринские породы, трудноизвлекаемые запасы и т.п.),
- оптимизировать внесение удобрений без их дальнейшей миграции в источники водных ресурсов,
- проводить дизайн иерархически построенных пористых материа-лов, например, мембран, фильтров и топливных элементов, в целях массового индустриального использования,
а также понять и объяснить многие процессы, которые наблюдаются на микро- и макроуровнях (от мкм до см): динамика структуры иерархически построенных пористых сред в циклах увлажнения-сушки, динамики микробиологических процессов, доступности питательных веществ и воды/воздуха для прохождения различных биологических и химических процессов и многие другие.
Множественные из предлагаемых к решению конкретных задач никогда ранее не решались, например:
- гомогенизация физических свойств объектов с нанопористостью с правильными граничными условиями и на основе анализа однородности и репрезентативности их наноструктуры не проводилось;
- насколько мы знаем, микромодели на чипе "lab-on-a-chip" никогда не включали в себя нанопористость реальных объектов;
- влияние выделения экссудатов на фильтрационные характеристики никогда не проводилось ранее, как на чипах, так и модельно на масштабе пор;
- фильтрационные характеристики органоминеральных включений с нанопористостью не известны (кроме молекулярного моделирования отдельных наноканалов);
- потери информационного содержания при гомогенизации не оценивались.
В заявке сформулированы амбициозные цели, достижение которых возможно только с использованием междисциплинарного подхода: моделирование на основе поросетевых моделей и моделей сплошной среды (физика и вычислительная математика), рентгеновская компьютерная томография (КТ), FIB-SEM и малоугловое рассеяние (МУР) исследования структуры (материаловедение), стохастические реконструкции структуры (теория конденсированного вещества, статистическая физика/механика), создание микромоделей на чипе и проведение экспериментов (микрофлюи-дика), моделирование транспорта в нанопористости (гидродинамика, молекулярная динамика), обработка изображений (машинное обучение), определение концентраций флюоресцирующего трассера (оптика), апскейлинг физических свойств (гидродинамика, гидрология, физика почв), взаимодействие корней растений с почвой на микро- и наномасштабе (биология, биофизика), оценка потерь информационного содержания (теория информации, теоретическая физика).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Все запланированные на 2024 год задачи были выполнены. Более того, были выполнены дополнительные работы, выходившие за рамки изначального плана и появившиеся как идеи во время выполнения основных работ:
1) Для работы были отобраны пять образцов российских почв, к ним мы также добавили образец чистой глины (без органики) для референтных значений и исключения влияния органического вещества. Для каждого образца были проведены КТ исследования его структуры для анализа однородности, а затем исследования наноструктуру с помощью FIB-SEM и/или малоуглового рассеянии рентгеновского излучения (МУР).
2) Были изготовлены микрофлюидные чипы и отработана методика иммобилизации в нем нанопористых структур, а также определен рабочий диапазон потока жидкости.
3) При нескольких различных температурах было изучено прохождение растворов через системы с заданным давлением путем измерения объема прошедших жидкостей. Была получена зависимость перепада давления в прототипах микромоделей от расхода воды и воздуха, и определена их проницаемость.
4) Дополнительно к запланированным исследованиям в лаборатории были проведены первичные эксперименты по ненасыщенной фильтрации воды и воздуха.
5) Было изучено поведение воды и воздуха в нанопорах малого размера (5-25 нм), в том числе были модельно воспроизведены проскальзывание и торможение на стенках из органики. Полученные зависимости потока в нанопоре в зависимости от локального давления в диапазоне реалистичных значений впервые позволяют говорить о потенциальных процессах нанофильтрации в почвах. Самое интересное, что помимо воды и воздуха, мы исследовали поток воды с целлюлозой – это позволило смоделировать распространение эксудатов.
6) На основе стохастических методов был разработан метод заполнения срезов для создания трехмерной геометрии с одинаковым размером вокселей во всех ортогональных направлениях при резке ионным пучком при использовании методики FIB-SEM.
7) Мы сравнили потоки в нанопоре размером 5 нм в модели Джавадпура, в модифицированной модели Джавадпура, расчетах в гидродинамической модели и теми результатами, что мы получили на основе молекулярного моделирования. Все модели дали сильно различные значения, требующие дальнейшего исследования.
8) Была выбрана численная схема и методика решения уравнения Дарси с учетом нелинейной зависимости локальной проницаемости от локального давления. Модель была протестирована против классического симулятора MRST считая фильтрацию линейной (с проницаемостью, не зависящей от давления).
9) В рамках разработки общей теории применения информационного содержания при описании фильтрации в пористых средах, мы поняли, что очень популярный концепт в науке – педотрансферные функции (тысячи публикаций в Q1 журналах по этой теме и постоянный тренд на увеличение публикаций) на самом деле имеет целый ряд заложенных в него нерешаемых нефизичностей.
10) Мы сравнили фильтрационные характеристики – насыщенные в виде проницаемости и ненасыщенные в виде капиллярной кривой (ОГХ) и относительных проницаемостей (ненасыщенная влагопроводность) по классической модели ван Генухтена-Муалема.
Таким образом, мы выполнили все запланированные работы, и даже сделали дополнительные исследования. За год было запланировано подготовить 3 манускрипта статей в журналы, было подготовлено 5 статей – все они находятся на рассмотрении в журнал (4 в международных журналах Q1, 1 статья – в русском журнале из «белого списка»).