авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК в 2011 году I. Основные научные результаты В 2011 г. институты Сибирского отделения продолжали ...»

-- [ Страница 3 ] --

ренциальных уравнений с двумя параметрами. Полученная нелинейная система решалась с Показано, что в рамках линейной теории помощью итерационной схемы Нэша—Мозе волн симметричные трехмерные бегущие вол- ра. Доказано существование асимметрических ны образуются в результате наложения двух периодических волн, распространяющихся с систем плоских волн, амплитуды которых рав- постоянной скоростью по поверхности беско ны, а волновые векторы симметричны относи- нечно глубокого потока идеальной несжимае тельно некоторой прямой. Если эти условия не мой жидкости. Полученные решения характе выполняются, то результирующая система ризуются тем, что поток жидких частиц на трехмерных волн будет асимметричной. Задача свободной поверхности является эргодичес об асимметричных волнах является гораздо ким. Обнаружен эффект бокового дрейфа мас более сложной. Ее трудность обусловлена тем, сы в асимметричном волновом движении.

Программа III.19.2. Нелинейные волны и турбулентность в многофазных потоках (координатор член-корр. РАН С. В. Алексеенко) В Институте теплофизики им. С. С. Кута- давления на стенке отсасывающей трубы гид теладзе проведен цикл аналитических, расчет- ротурбины (рис. 23).

ных и экспериментальных работ по моделиро ванию гидродинамических процессов в про а точном тракте гидротурбин как на докавита ционных режимах, так и на режимах с разви той кавитационной каверной. Опыты показали, что модификацией профилей скоростей на входе в отсасывающую трубу можно предот вратить образование интенсивного прецесси рующего вихревого жгута в конусе отсасы вающей трубы и подавить связанные с ним б мощные пульсации потока. Адаптация моде лей физических процессов и соответствующих модулей пакета программ -Flow и последую щие расчеты позволили с хорошей точностью описать полученные экспериментальные дан ные (рис. 21, 22). Расчеты нестационарного Рис. 21. Распределение величины продольных течения в модели реальной гидротурбины, пульсаций скорости при обтекании гидрокрыла проведенные для ряда режимов, хорошо пред- NACA0015.

сказывают спектральный состав пульсаций а — эксперимент, б — расчет.

98 2. Основные результаты научных исследований венных трехкомпонентных векторных полей а скорости в объеме потока жидкости или газа.

Суть метода состоит в измерении перемещения частиц в потоке за короткое время между вспышками лазера. Восстановление поля ско рости происходит путем обработки трехмер ных (объемных) изображений трассеров, вос становленных методами томографической ре конструкции из зарегистрированных проекций.

Основное преимущество метода — возмож ность бесконтактных невозмущающих измере б ний мгновенных значений вектора скорости на трехмерной сетке. В результате исследования точности реконструкции и ошибки определе ния смещения частиц по модельным искусст венным изображениям показано, что сущест вуют оптимальные значения параметров экс перимента. Предложено и реализовано не сколько алгоритмических оптимизаций, позво ляющих уменьшить время обработки данных.

Показано, что применение графических про цессоров (GPU) позволяет повысить произво 1,8 1,6 1,4 1,2 0,91 0,67 0,42 0,17 –0, дительность обработки данных. Опытный об Рис. 22. Распределение осевой компоненты скоро разец измерительной системы был создан и сти в поперечном сечении за коленом модели отса сывающей трубы. применен для диагностики турбулентной затоп ленной струи, вытекающей в узкий канал, что а — эксперимент, б — расчет.

позволило получить пространственное распре деление среднего поля скорости и мгновенные В том же Институте разработана и апро поля скорости в области измерения.

бирована модификация метода анемометрии по изображениям частиц для измерения мгно Рис. 23. Пульсации давления на стенке отсасывающей трубы.

а — эксперимент (ЛМЗ, 2010), б — расчет.

Механика и энергетика Программа III.19.3. Гидродинамика процессов в природных системах и технических устройствах: теоретическое, экспериментальное и численное моделирование (координатор член-корр. РАН В. В. Пухначев) В Институте гидродинамики им. М. А. Лав- ции и формы поверхности включения, на кото рентьева предложен метод последовательных рой задано краевое условие смешанного типа.

приближений для построения решения задачи Получены аналитические решения некоторых о распаде разрыва малой амплитуды. В линей- плоских задач. Для общего случая построен ном приближении этого метода получается алгоритм численного решения, основанный на задача Коши для линейной гиперболической методе конечных элементов. Разработанная системы. Ее решение представляет собой ли- математическая модель не имеет аналогов и нии разрыва, разделенные областями, в кото- может быть применена к описанию ряда про рых решение является постоянным. Основное цессов: конвективного тепло- и массопереноса, внимание уделяется первому и второму при- разложения газогидратов и других, имеющих ближениям этого метода, в рамках которых диффузионную природу.

разрывы, получаемые в линейном приближе нии, разделяются на устойчивые ударные вол ны и волны разрежения. В качестве конкретно- го примера проведен анализ качественно раз личных режимов течения, возникающих при решении задачи о разрушении плотины для модели двухслойной мелкой воды со свобод ной границей (рис. 24).

В том же Институте для капель различных масел, находящихся в равноплотном спиртово водном растворе (матрице), ранее было обна ружено, что если две капли обладают поверх ностным натяжением и находятся на расстоя нии порядка их размеров, то независимо от –10 –5 0 5 масштаба системы происходит их медленное взаимное сближение. Показано, что капли дви- Рис. 24. Характерные профили волн в задаче о раз рушении плотины в двухслойной мелкой воде.

жутся циклически по сценарию покой—раз гон—торможение с временем цикла порядка 1 — свободная поверхность воды, 2 — граница раздела одной сотой секунды и средней скоростью по- слоев.

рядка одной миллионной метра в секунду. r Полное время сближения капель — около де сяти тысяч секунд (рис. 25). Видно, что рас 2, считанные и экспериментальные расстояния между центрами капель различаются только на заключительном этапе сближения, что можно 2, объяснить неучетом гидродинамического вза имодействия капель. 2, Предложена математическая модель обте кания замкнутых включений (солевых диапи 2, ров, массивов мерзлоты, газогидратов) пото- ком агрессивного флюида (относительно прес ной или теплой водой, теплым газом). Унос 2, вещества (абляция) с поверхности включения 0 2000 4000 6000 8000 t, c предполагается пропорциональным касатель- Рис. 25. Зависимость безразмерного расстояния ной составляющей скорости обтекания. Задача между центрами капель от времени.

сводится к нахождению гармонической функ- 1 — эксперимент, 2 — результаты расчетов.

100 2. Основные результаты научных исследований Программа III.19.4. Аэротермодинамика высокоскоростных летательных аппаратов (координатор докт. физ.-мат. наук А. Н. Шиплюк) В Институте теоретической и прикладной В том же Институте впервые продемонст механики им. С. А. Христиановича показано, рирована реальная возможность управления что в широком диапазоне чисел Рейнольдса течением в воздухозаборнике с помощью вы (Re = 103—109) вязкость оказывает существен- соковольтного поверхностного электрического ное влияние на структуру течения в области разряда и изучено влияние этого процесса на взаимодействия ударных волн. Эффекты вяз- интегральные характеристики воздухозабор кости приводят к формированию зоны, в кото- ника (рис. 27, а, б). Показано, что поверхност рой не выполняются соотношения Рэнкина— ный плазменный разряд существенно изменяет Гюгонио. Существование этой зоны позволяет положение ударных волн и структуру течения непрерывным образом осуществить переход на внешних поверхностях сжатия воздухоза газодинамических параметров за ножкой Маха борного устройства. Воздействие разряда при к параметрам за отраженной ударной волной водит к тому, что воздухозаборник переходит через дозвуковую область течения, что невоз- из нерасчетного в расчетный режим течения с можно в рамках невязкой трехволновой теории фокусированием скачка на передней кромке Неймана. Эти результаты согласуются с предпо- обечайки. Более того, перед входом в канал ложением Штернберга о существовании «non- исчезает взаимодействие косых скачков уплот Rankine-Hugoniot zone». При числе Рейнольдса нения и сжатие происходит в головном скачке Re 1,6·109 наблюдается прообраз «сверхзву- уплотнения и последующей системе слабых ковой заплатки», соответствующий конфигу- волн сжатия (рис. 27, в, г). В результате этого рации течения, полученной в рамках невязкой исчезает развитая отрывная зона на внутрен модели Гудерлея. Размер этой локальной сверх- ней поверхности обечайки. Влияние разряда звуковой зоны составляет порядка 200 длин сопровождается также заметным увеличением свободного пробега в набегающем потоке. Од- толщины пограничного слоя на входе в канал нако в большинстве практических приложений воздухозаборника, что при определенных ус реализуются числа Рейнольдса Re~104—107, ловиях может затруднить его запуск. При дос что на несколько порядков меньше, чем Re = таточно большой мощности (7 кВт) разряда = 1,6·109. В плоскости (угол поворота потока — удалось получить увеличение коэффициента давление) при увеличении числа Рейнольдса восстановления полного давления и коэффи численное решение уравнений Навье—Стокса циента расхода воздуха примерно на 6 %.

постепенно приближается к кривой, соответст- Разработан способ активного управле вующей решению Гудерлея (рис. 26). ния несжимаемым турбулентным погранич 1, 1, 1, 1,62 1, 1, 1, 1,81 1, 1, 1, 1,02 1, 1, 1, 1, 1,02 1, 1, 1,77 1, 1, 1,80 1, 1, 1,86 1, 1,79 1, Rew = 6·104 Rew = 6·107 Rew = 1,6· Rew = 2123 1, Рис. 26. Эволюция структуры ударной волны в зависимости от числа Рейнольдса.

Механика и энергетика а б в г Рис. 27. Разряд на поверхности воздухозаборника при мощности 3 кВт (а) и 7 кВт (б) и положение ударных волн с разрядом (в) и без (г) при М = 2,5, = 5°.

ным слоем на обтекаемой поверхности путем ских затрат на процесс вдува обеспечивает использования распределенного вдува воздуха уменьшение полного аэродинамического со через уникальную по своим свойствам мелко- противления указанной поверхности на 4,5— перфорированную проницаемую стенку. Про- 5 % (рис. 28). При этом устойчивое снижение демонстрирована высокая эффективность воз- Сf наблюдается даже вниз по потоку от прони действия на пограничный слой указанного цаемого образца, что является дополнитель способа, позволяющего снизить местный ко- ным резервом уменьшения полного сопротив эффициент трения Сf на обтекаемой плоской ления (рис. 29).

поверхности на 70 %, что с учетом энергетиче Cf Cf /Cf 0 70 % 2 Cf · Cf · 1 Передняя граница Задняя граница перфорированного перфорированного образца образца 1000 1200 1400 1600 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 x, мм Cb · Рис. 29. Распределение местного коэффициента Рис. 28. Изменение коэффициента поверхностного трения по длине обтекаемой поверхности.

трения в зависимости от коэффициента вдува. Сb = 0,002755 (1, экспериментальные данные на перфо рированном участке), 0 (2, на непроницаемой поверхноc ти);

3 — расчет.

102 2. Основные результаты научных исследований Программа III.19.5. Физические проблемы управления газодинамическими течениями (координатор докт. физ.-мат. наук А. А. Маслов) В Институте теоретической и прикладной Совместно с Институтом вычислительно механики им. С. А. Христиановича обнаруже- го моделирования разработана технология но резкое увеличение относительной дально- численного анализа гидроаэродинамической бойности сверхзвуковой струи (относительной устойчивости поперечно-периодических тече длины сверхзвукового участка струи) для мик- ний. Показано, что волнистость (оребрение) росопел диаметром менее 60 мкм (рис. 30). стенок канала замедляет нарастание полосча Эффект вызван подавлением вязкостью всех тых структур в зоне перехода к турбулентно процессов возникновения и усиления неустой- сти, способствуя увеличению ламинарной об чивости микроструи, что позволит создавать ласти (рис. 32).

плотные массивы сверхзвуковых микроструй, Показано, что термоанемометрический ме эффективно воздействующих на течения в раз- тод может быть успешно использован для из личных микроустройствах и процессах. мерений скорости потока наноразмерных по В экспериментах по теплообмену в сталь- рошков (рис. 33). Установлено, что в нанораз ном микроканале при протекании суспензии на- мерном порошке выполняется закон Кинга ночастиц диоксида кремния в этиловом спирте (рис. 34). Обнаружено, что теплоотвод в по получено значительное превышение величины рошке от нагретой нити датчика термоанемо теплоотдачи над ожидаемой величиной по мак- метра существенно выше, чем в воздухе. Пока роскопической модели Максвелла и подтвер- зано, что термоанемометрический способ по жден эффект влияния наноразмера частиц на зволяет измерять среднеквадратичные пульса интенсивность теплообмена (рис. 31). Использо- ции в течении нанопорошка. В проведенных вание наножидкостей в микроканалах позволит экспериментах обнаружено существование по уменьшить размеры теплообменных устройств граничного слоя в потоке нанопорошка как на микроэлектроники и микромеханики. стенке круглого вертикального канала, так и на 100 б 1,1 а 1 10,4 мкм 1,0 10,4 мкм Границы 0,9 сверхзвуковых P0/P0 nozzle 50 22 мкм 0,8 участков 0, 0,6 30 0,5 65 мкм Xs/ D 0,4 65 мкм 340 мкм 0, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 X/D 9 Обобщенные Микротрубка Пито данные по макроструям 1 5 6 7 8 0,6 0,8 2 3 N Стеклянная Толщина стенки трубки 0,1 мкм Рис. 30. Примеры измерения динамического давления (а, б) (1—6 — результаты измерений относительной длины сверхзвукового участка для нескольких микросопел, 7, 8 — обобщенные данные для макроструй) и микротрубка Пито.

Механика и энергетика а б Тепловизионный микроскоп Вакуумная –T0/T0, % камера с микроканалом, % 0 2 4 Поршневой насос Рис. 31. Измерительный комплекс (а) и результаты измерений теплоотдачи для суспензии наночастиц диоксида кремния в этиловом спирте (б).

1 — измерения, 2 — расчет.

вогнутой пластине. Показана возможность ках в пространстве воздух—поверхность по проведения амплитудно-частотных измерений рошка наблюдаются стоячие и бегущие волны в пограничном слое дисперсной фазы. В том различного вида. Волны (с генерацией высших числе установлено существование области де- гармоник) обнаружены также и внутри порош стабилизации возмущений внутри порошковой ка. Определена скорость звука в нанопорошке среды. При возбуждении звука в нанопорош- диоксида кремния — 50—70 м/с.

1,5 а б 1, 5 10 0 0, 0 3 –0,5 40 200 –1,0 –1, –0,4 –0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1, Рис. 32. Расчетная сетка в канале с поперечно-периодическим сечением (а) и изолинии максимального на растания полосчатых структур в плоском (черные линии) и оребренном (красные линии) каналах (б).

104 2. Основные результаты научных исследований Nu 15 10 5 50 нм u1/2, (м/с)1/ 0 0,1 0,2 0,3 0, Рис. 33. Структура нанодисперсного порошка.

Рис. 34. Зависимость числа Нуссельта от корня из скорости не зависит от перегрева нити.

aw = 0,2 (1), 0,4 (2), 0,6 (3), 0,8 (4), 1 (5).

Программа III.19.6. Детонационные и ударно-волновые процессы в газовых, гетерогенных и конденсированных средах и управление ими для создания новых технологий (координатор акад. В. М. Титов) В Институте гидродинамики им. М. А. Лав- ния электрической проводимости немагнитных рентьева принципиально усовершенствован ме- металлов и сплавов в условиях импульсного тод восстановления газодинамических пара- нагружения, основанный на эксперименталь метров детонационного течения по данным ном определении характера затухания вихре рентгенографического эксперимента с исполь- вых токов в исследуемом образце. Проведены зованием в качестве источника синхротронно- эксперименты по определению проводимости го излучения. Метод заключается в совмеще- меди на дисках из медной фольги толщиной нии решения газодинамической задачи с опре- 50 мкм, диаметрами 10,5, 14, 20 мм. Для варь делением параметров уравнения состояния про- ирования амплитуды давления использовались дуктов взрыва, обеспечивающих наилучшее цилиндрические заряды насыпной плотности совпадение пространственного распределения из гексогена, аммонита 6ЖВ, смесей аммонита параметров течения с измеренной в экспери- 6ЖВ с содой, пластического ВВ диаметром менте рентгеновской тенью. Результатом явля- 80 мм и высотой 200 мм. Получена зависи ется восстановление полей газодинамических мость электрического сопротивления меди от характеристик (плотности, давления, вектора давления в диапазоне до 16 ГПа (рис. 36). Ус скорости) для детонации зарядов бензотрифу- тановлен немонотонный характер этой зависи роксана и зарядов на основе пластифициро- мости с максимумом в районе 11 ГПа, а также ванного ТАТБ (рис. 35). тот факт, что изменение проводимости фольги В том же Институте предложен усовер- происходит синхронно с моментом ее нагру шенствованный бесконтактный метод измере- жения.

Механика и энергетика, г/см а б r, см 3, 2, 2, 1, 1, 2,5 2,0 1,0 0, 1,5 0, 0 0 –2,0 –1,0 0 z, см –2,5 –2,0 –1,5 –1,0 –0,5 0 0,5 z, см в г r, см p, ГПа 0 –2,0 –1,0 0 z, см –2,5 –2,0 –1,5 –1,0 –0,5 0 0,5 z, см Рис. 35. Пространственные распределения параметров и их значения при детонации цилиндрического заряда пластифицированного ТАТБ диаметром 20 мм — 1,85 г/см3 через 3 мкс от момента инициирования.

а, б — плотность, в — давление, г — массовая скорость в системе детонационного фронта (длина стрелок пропорцио нальна скорости). Точкой обозначена звуковая граница — D =| v | + c.

1, 1, 1, 1, 1, 1, 0 5 10 15 P, ГПа Рис. 36. Зависимость электрического сопротивления меди от давления.

106 2. Основные результаты научных исследований Программа III.19.7. Гидродинамика высокоскоростных нестационарных процессов в однородных, многокомпонентных и многофазных средах (динамика состояний, фазовые и структурные изменения при высоких плотностях энергии) (координатор докт. физ.-мат. наук В. К. Кедринский) В Институте гидродинамики им. М. А. Лав- в пузырьках определяет классический профиль рентьева (совместно с ИНХ и ИФПМ) в ре- волны декомпрессии Р(z) (a, t = 0,15 c), рас зультате анализа дифрактограмм покрытий, пространяющейся от свободной поверхности синтезированных на циркониевых и титановых столба магмы (z = 1000 м) (рис. 37);

неограни мишенях при их взаимодействии с высокоско- ченный диффузионный процесс и увеличение ростными кумулятивными потоками смесей- плотности ядер кавитации за счет микрокри прекурсоров 3H2BO3 + ZrO2 + 5C и 3ZrO2 + сталлитов приводит к формированию двухвол + B4C + 2H3BO3, во всех случаях зафиксирован новой структуры с предвестником (б, t = 0,5 с);

синтез диборида циркония ZrB2, свободные в профиле массовой скорости U(z) выделяется элементы которого в исходной смеси отсутст- зона с практически пятикратным скачком мас вовали. В результате рентгенофазового анали- совой скорости (б).

за покрытий, синтезированных на титановых В том же Институте разработан трехмер подложках при их взаимодействии с высоко- ный вариант метода LBE для многокомпо скоростными кумулятивными потоками, со- нентных сред, находящихся в электрическом держащими неметаллические компоненты (С, поле, с возможностью фазового перехода жид B + аммиачная селитра), показано, что основ- кость—пар. Построены кривые сосуществова ными фазами в образцах покрытий являются ния (бинодали) для чистой жидкости и бинар гексагональная и кубическая фазы карбида ти- ной смеси жидкость—растворенный газ, полу тана — - и -TiС. Показано, что максималь- ченные при LBE-моделировании, и спинодаль ные значения микротвердости покрытий ле- для бинарной смеcи. Выполнен трехмерный жат в диапазоне 35—44 ГПа. По созданной фи- расчет динамики состояния бинарной смеси зико-математической модели процесса практи- жидкий диэлектрик—растворенный газ при чески для всех вариантов смесей были получе- мгновенном наложении сильного электричес ны оценки давлений и температур, реализую- кого поля. Показано, что при значениях элект щихся при кумулятивном синтезе. рического поля выше критического первона В Институте гидродинамики им. М. А. Лав- чально однородная бинарная смесь распадает рентьева показано, что предвзрывное состоя- ся на компоненты жидкий диэлектрик—паро ние вулканических систем, входящих (по ин- газовые каналы, ориентированные вдоль элект тенсивности взрывных извержений) в класси- рического поля. При этом каналы газовой фазы фикацию A. Lacroix (1908), по структурному растут как за счет испарения жидкого вещест признаку идентично схемам диафрагменных и ва, так и за счет диффузии растворенного газа электромагнитных гидродинамических удар- внутрь канала.

ных труб, а динамика состояния сжатой тяже- В Институте гидродинамики им. М. А. Лав лой магмы за фронтом волны декомпрессии во рентьева экспериментально установлено, что многих аспектах аналогична динамике состоя- характер прецессии вихря внутри цилиндриче ния обычных жидкостей при взрывном харак- ской камеры существенным образом определя тере их ударно-волнового нагружения и может ется выходными условиями истечения жидко быть описана системой единых газодинамиче- сти из камеры. В камере с полностью откры ских законов сохранения с широким спектром тым выходом и осесимметричными входными кинетических соотношений, учитывающих осо- условиями реализуется прецессия вихревого бенности развивающихся в магме физических ядра с прямолинейной осью, описывающей процессов. В результате численного анализа поверхность конуса. При нарушении осевой динамики состояния магмы, выполненного в симметрии на выходе ось вихря приобретает рамках такого подхода, обнаружено принци- спиралевидную форму. Наличие сопла локали пиальное влияние диффузии и микрокристал- зует прецессию и предотвращает ее проникно литов—ядер кавитации на структуру форми- вение внутрь камеры. Полученные результаты рующихся в магме полей декомпрессии и мас- дают качественно новые представления о гид совой скорости: модель постоянной массы газа родинамике сильно закрученных течений.

Механика и энергетика P, МПа U, м/с P, МПа U, м/с а б 160 140 120 U P 100 80 60 P 10 40 U 5 20 0 0 200 400 600 800 z, м 0 200 400 600 800 z, м м Рис. 37. Профили волны декомпрессии Р и массовой скорости U в потоке магмы для двух физических моде лей (моменты времени выбраны для каждой модели произвольно).

а — масса газа в пузырьках const (0,15 c);

б — диффузионный процесс неограничен, микрокристаллиты увеличили плотность ядер в зоне насыщения на порядок (0,5 с).

Программа III.19.8. Плазмо- и электрохимические методы переработки углеводородного и минерального сырья (координатор член-корр. РАН М. Р. Предтеченский) В Институте теплофизики им. С. С. Кута- взрывной абляции изучены пока слабо, отсут теладзе на основе экспериментальных и теоре- ствует адекватная модель фазового взрыва, что тических исследований установлено, что од- затрудняет контролируемое использование это ним из основных механизмов лазерной абля- го режима лазерной абляции (рис. 38). Выпол ции при высоких интенсивностях излучения нено экспериментальное и теоретическое ис (более 1 ГВт/см2) является взрывное испарение следование абляции графита наносекундными (называемое также фазовым взрывом). Меха- лазерными импульсами в широком диапазоне низм обусловлен глубоким перегревом рас- условий облучения от режима поверхностного плавленного слоя материала в область мета- испарения до развитой взрывной абляции. Най дено, что при интенсивности ~3 ГВт/см2 про стабильных состояний и носит ярко выражен ный пороговый характер. Однако условия пе- исходит резкое увеличение эффективности аб рехода от поверхностного испарения мишени к ляции и импульса отдачи плазмы. Выполнен теоретический анализ излучения расширяю щейся углеродной плазмы и разработана мо дель лазерной абляции с учетом дополнитель ного нагрева мишени излучением плазмы. По 2, Глубина абляции, мкм казано, что наблюдаемые в режиме фазового взрыва глубины абляции не могут быть объяс 1, нены классической тепловой моделью и необ ходимо учитывать переизлучение энергии плаз 1, мой. Установлено, что режим взрывной абля ции реализуется лишь для небольших размеров 0,5 пятна облучения (площадь менее ~0,1 мм2).

Показано, что размерный эффект обусловлен характером разлета плазмы на начальных ста F0, Дж/см 0 10 20 30 диях — для малых пятен разлет является сфе рическим и сопровождается быстрым падени Рис. 38. Зависимость глубины абляции графита от ем давления над поверхностью и, соответст плотности энергии F0 лазерных импульсов длитель венно, сильным перегревом поверхностного ностью 7 нс на длине волны 532 нм (точки — экс перимент, сплошная линия — расчет). Другие линии слоя. Результаты существенно расширяют соответствуют расчетным значениям максимальной имеющиеся представления о поведении веще толщины расплавленного углерода без учета (штри- ства в экстремальных условиях мощного им ховая линия) и с учетом (штрихпунктирная линия) пульсного нагрева.

нагрева излучением лазерной плазмы.

108 2. Основные результаты научных исследований Программа III.19.9. Неравновесные процессы в потоках разреженного газа и плазмы при синтезе наноструктур (координатор акад. А. К. Ребров) В Институте теплофизики им. С. С. Кута- стадии нагрева и предсказания его дальнейшей теладзе разработаны взаимодополняющие мо- эволюции, тогда как молекулярно-динамичес дели, описывающие процессы, происходящие кое (МД) моделирование, будучи более трудо в металлических пленках под действием ульт- емким, позволяет детально изучить динамику ракоротких импульсов лазерного облучения в отрыва материала от подложки и его распада схеме прямой печати. Лазерно-индуцирован- на стадии переноса. Выполнено ДТ—ТУ-моде ный перенос материала вдоль луча (LIFT) при- лирование нагрева пленок золота, хрома и влекает все больше внимания в качестве аль- цинка толщиной 40 нм для известных экспе тернативы литографическим методам для пря- риментальных условий, что позволило объяс мой печати различных микро- и оптоэлектрон- нить наблюдаемое различие в морфологии пе ных устройств. Его достоинством является ренесенных микроструктур. С помощью МД возможность переноса любого вида материа- моделирования изучены особенности переноса лов (от металлов до биологических тканей) пленок золота и хрома в зависимости от усло при подходящих условиях облучения, выбор вий облучения (рис. 39). Продемонстрировано, которых требует глубокого понимания процес- что ДТ—ТУ-модель адекватно описывает по сов, происходящих в веществе при его облуче- ведение вещества на стадии сверхбыстрого нии и переносе на подложку-акцептор. Разра- нагрева (рис. 40). Разработанные модели име ботанные модели позволили детально исследо- ют универсальный характер и могут быть при вать динамику нагрева вещества ультракорот- менены для изучения процесса LIFT различ кими лазерными импульсами, его термодина- ных материалов при адекватном выборе пара мическую эволюцию и формирование термо- метров моделирования.

упругих волн на начальной стадии переноса В том же Институте предложена техноло металлических пленок, а также отрыв мате- гия утилизации попутного нефтяного газа пу риала от подложки-донора и его распад на тем конверсии в водород и углеродные матри слои и/или парокапельную смесь. Показано, цы. Конверсия реализована в дуговом разряде что модель, основанная на двухтемпературном постоянного тока с графитовыми электродами.

представлении материала в условиях сверхбыст- Подача метана в реактор осуществляется через рого нагрева и уравнениях термоупругости один из электродов специальной формы. В за (ДТ—ТУ), является быстрым и эффективным висимости от геометрии этого электрода уда инструментом анализа поведения материала на ется синтезировать различные типы углерод ных наноструктур: многослойные углеродные нанотрубки (при использовании наночастиц палладия в качестве катализатора);

нанокри сталлический графит, углеродный конденсат со случайным типом гибридизации электрон ных оболочек (сажа) (рис. 41). Водород пред полагается использовать в качестве энергоно сителя для обеспечения энергетической ин фраструктуры скважины. Параметры электро дуговой установки: мощность 2 кВт, макси мальный расход метана 2 л/мин.

В том же Институте на основе модифици рованной модели однослойной адсорбции Лен гмюра проведено численное моделирование формирования нанодисперсных композитов, Рис. 39. Результаты МД-моделирования для плот- условий роста нитевидных кристаллов, осо ности энергии в импульсе 1,5 Дж/см2. бенностей молекулярных процессов на поверх ности жидкости, описание возникновения ка Темные точки — твердый материал, более светлые — расплав. Импульс воздействует слева, со стороны стек- пиллярной конденсации на наноуровне, эмис лянной подложки. Начальные границы кристалла показа- сии димеров с подложки в процессе вакуумно ны светлыми линиями. Под действием возникающих в го осаждения. Установлено, что при совмест кристалле напряжений стекло продавливается на не ной конденсации двухкомпонентного пара на сколько нанометров.

Механика и энергетика –10 0 10 20 30 40 x, нм 0 – t = 1 пс – t = 3 пс –, ГПа – t, пс –3 t = 5 пс – – 3 t = 10 пс – Рис. 40. Динамика термоупругих напряжений в пленке золота. 0 10 20 30 x, нм Слева — результаты МД-моделирования;

справа — ДТ—ТУ-моделирования. Результаты хорошо согласуются по мак симальному уровню напряжений, достигаемому на стадии нагрева.

одной подложке стационарные режимы фор- связь между вычисленными слоями поверхно мирования нанодисперсных композитов не стных сгущений Гиббса и массообменом этой существуют. Показано, что помимо указанных поверхности с паровой средой. Показано, что в известных работах Е. И. Гиваргизова, усло- капиллярная конденсация — макроскопичес вия роста нитевидных кристаллов могут воз- кое явление и зарождается на наноуровне никнуть при определенном сочетании энергии вследствие того, что микрошероховатость по взаимной связи атомов конденсирующегося верхности, а именно ступени роста, стимули материала и их энергии адсорбции к подложке рует локальную адсорбцию примесей. Нако S. Установлено, что микрошероховатость по- нец, получены детальные результаты по явле верхности конденсации, возникающая, напри- нию эмиссии наночастиц с поверхности кон мер, при деформации поверхности жидкости денсации, обнаруженному в экспериментах или при совместной конденсации двух паров, ранее. Это создает предпосылки для разработ смещает равновесие пар—конденсат, влияет на ки принципиально новой технологии получе скорость массообмена. Установлена также ния наноматериалов.

500 нм 50 нм 50 нм 10 нм Рис. 41. Углеродные наноструктуры, синтезированные при пиролизе метана в электрической дуге.

110 2. Основные результаты научных исследований ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ III.20. МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА, ФИЗИКА И МЕХАНИКА ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ, МЕХАНИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ И НАНОМАТЕРИАЛОВ, ТРИБОЛОГИЯ Программа III.20.1. Физическая мезомеханика, физика прочности и неравновесная термодинамика твердых тел как многоуровневых систем и проблемы создания на их основе новых материалов, включая наноструктурные (координатор акад. В. Е. Панин) В Институте физики прочности и мате- обусловливает образование и эмиссию в кри риаловедения теоретически и эксперименталь- сталлическую подсистему всех типов дефор но обоснована концепция многоуровневого мационных дефектов. Данный многоуровне описания деформируемого твердого тела как вый процесс развивается по схеме нелинейных нелинейной иерархически организованной сис- волн каналированной пластической деформа темы. Поверхностные слои и все внутренние ции, которые определяют закон самосогласо границы раздела рассматриваются как само- вания пластического течения в иерархически стоятельная двумерная функциональная под- организованных системах. Диспергирование система с ближним порядком. Каналированное нелинейных волн структурно-фазовых пре пластическое течение в двумерной подсистеме вращений в условиях интенсивных пластиче ских деформаций обусловливает формирова ние нанокристаллической структуры с много угловыми разориентировками (рис. 42). На ос нове новой концепции разработаны теплоза щитные многослойные наноструктурирован ные покрытия для работы в высокоэнергетиче ских плазменных потоках (рис. 43).

Развиваемые представления об автовол новом характере развития пластической де формации твердых тел распространены на гор ные породы. На примере образцов из сильви нита, мрамора и песчаника показано, что пла стическая деформация в горных породах про 1 мкм текает локализованно в форме автоволнового процесса (рис. 44). При этом длина автоволны Рис. 42. Образование наноструктуры в аустенитной в таких материалах ~5 мм, а скорость распро стали диспергированием цепочки странения автоволны, определяемая по накло структурно-фазовых превращений.

ну графика (рис. 45), составляет ~3·10–5 м/с, что близко к значениям, характерным для ме таллов и сплавов. Подобная скорость распро странения близка к значениям, характерным для так называемых медленных движений в земной коре, возникающих после землетрясе ний и горных ударов. Таким образом, полу ченный результат может рассматриваться как наблюдение «медленных движений» в лабора торных условиях.

Методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и оптической интерференционной про 1 мкм филометрии исследованы закономерности гоф рирования системы тонкая наноструктурная Рис. 43. Наноструктурированный интерфейс в мно пленка (наклеенная фольга)—подложка при гослойном теплозащитном покрытии.

Механика и энергетика термическом воздействии. Исследования про ведены на примере модельной композиции, xx состоящей из пленки Al, подслоя полистирола –0, (PS) и подложки Si. Показано, что в условиях сжатия на границе раздела пленка—подслой формируется периодическое распределение на- пряжений и деформаций, приводящее к воз- x, мм никновению волнистости. В вершинах складок y, мм напряжения, нормальные к границе раздела, xx являются растягивающими, а в области впа- –0, дин — сжимающими. Аналогично изменяются –0,005 и напряжения в плоскости пленки вблизи ее свободной поверхности. Выделено три стадии эволюции гофра в условиях периодического 5 x, мм распределения напряжений. На начальном эта- y, мм пе гофрирования релаксация нормальных на Рис. 44. Распределение деформаций для двух мо пряжений способствует увеличению высоты ментов времени складок, в то время как их длина волны прак- x, мм тически не изменяется. Последнее, однако, обусловливает постепенный рост локальной кривизны пленки в областях вершин и впадин гофра и соответствующее увеличение компо ненты напряжений в плоскости пленки. Релак сация касательных напряжений, которая начи нается на второй стадии, вызывает увеличение длины волны складок, сопровождающееся сла- бым ростом их высоты. В результате после от- 50 100 150 t, с жига в течение 30 ч происходят прекращение Рис. 45. Скорость движения фронта роста складок и стабилизация гофра. В процес ных друг другу (рис. 46). Выявленные законо се эволюции гофра наблюдается его локальное мерности положены в основу создаваемого упорядочение. Оно выражается в трансформа датчика состояния, основанного на изменении ции лабиринтной системы складок в зигзаго рельефа поверхности чувствительного элемен образную, которая характеризуется наличием та — напыленной (наклеенной) тонкой пленки.

прямолинейных сегментов складок, параллель а б в 60 40 60 мкм мкм 20 мкм 60 40 60 мкм 60 мкм мкм 20 20 0 Рис. 46. АСМ-изображения деформационного рельефа на поверхности пленок Al после отжига при темпера туре 110 °С в течение 1,5 мин (а), 3 мин (б) и 40 ч (в).

112 2. Основные результаты научных исследований Программа III.20.2. Научные основы создания материалов и покрытий с неравновесными структурно-фазовыми состояниями на основе многоуровневого подхода (координатор докт. физ.-мат. наук С. Г. Псахье) В Институте физики прочности и материа ловедения показано, что с увеличением концен трации легирующих элементов (Al, Si, Cr, Ni, Cu) происходит изменение механизма зарожде ния и роста покрытий на основе TiN от эпитак сиального и столбчатого с формированием двух уровневой микроструктуры к непрерывному динамическому зарождению островков роста с развитием нанокомпозитных состояний с раз мерами нанокристаллов менее 20 нм (рис. 47). В покрытиях всех изученных составов обнаруже ны высокая упругопластическая кривизна кри сталлической решетки в многоуровневой струк 200 нм туре с размером зерна до 500 нм и широкий спектр значений упругой кривизны кристалла Рис. 47. Темнопольное изображение микрострукту от нулевых до 200 град/мкм в индивидуальных ры многокомпонентного покрытия после отжига нанокристаллах размерами до (10 15) нм.

при Т = (800 900) °С.

1,0 а 0, –0, –1, 0 50000 100000 150000 б 0 20 40 150 в 0 50000 100000 150000 150 г 0 50000 100000 150000 Рис. 48. Частотно-временное преобразование силы трения скольжения для образца с дефектами.

а — сигнал (сила трения), б — оконное преобразование Фурье, в — вейвлет-преобразование по схеме Морле, г — вейвлет-преобразование по схеме «Мексиканская шляпа».

Механика и энергетика В том же Институте методом подвижных На примере низкоуглеродистых микроле клеточных автоматов проведено трехмерное гированных (Mo, V, Nb, Ti) сталей 10Г2ФТ и моделирование процесса трения скольжения 06МФБ показана возможность увеличения нанослайдера по поверхности материала с пе- предела текучести и временного сопротивле риодически расположенными порами нанораз- ния в 1,6—2,0 раза за счет формирования в них мера. Проведен частотно-временной анализ ультрамелкозернистой структуры, стабилизи изменения силы трения скольжения (нанотри- рованной ультрадисперсной карбидной фазой боспектроскопия) с помощью оконного фурье- (рис. 49). Ультрадисперсная карбидная фаза преобразования и вейвлет-преобразования с играет определяющую роль в сохранении ульт различными базовыми функциями (Морле и рамелкозернистой структуры при высокотем «Мексиканская шляпа»). Показано, что такой пературных отжигах, препятствуя миграции анализ позволяет сделать оценку локализации границ зерен, перераспределению и аннигиля (показано стрелками на рис. 48) нанопор вбли- ции дефектов кристаллического строения зи поверхности. Экспериментальные исследо- (рис. 50).

вания подтвердили результаты моделирования.

а б РКУП M23C Fe3C, МПа Исходное состояние Сталь 06МБФ 12, % 0 2 4 6 8 10 200 нм Рис. 49. Диаграмма растяжения (а) и микрофотография выделения карбидных фаз (б) в стали 06МБФ.

Н, ГПа d, нм 2 0 100 200 300 400 500 600 Tотжига, °С Рис. 50. Зависимость микротвердости от температуры отжига для ультрамелкозернистых низкоуглеродистых сталей, полу ченных методом равноканального углового прессования.

1, 2 — микротвердость, 3, 4 — размер (суб)зерна. 1, 3— ферритная сталь 06МБФ, 2, 4 — ферритно-перлитная сталь 10Г2ФТ.

114 2. Основные результаты научных исследований Программа III.20.3. Исследование многоуровневых процессов деформирования и разрушения неоднородных материалов и конструкций, живучести и аварийных ситуаций технических систем (координатор член-корр. РАН Б. Д. Аннин) В Институте гидродинамики им. М. А. Лав- осном и плоском напряженных состояниях рентьева для многих современных высоко- вплоть до разрушения на тестовых задачах из прочных труднодеформируемых и малопла- гиба балок, кручения валов и квадратных пла стичных конструкционных сплавов на основе стин как для стационарных, так и для преры железа, титана и алюминия экспериментально вистых, в том числе знакопеременных режи установлено геометрическое подобие кривых мов нагружения.

ползучести при постоянных напряжениях и В Институте физико-технических проб температурах в нормированных переменных. лем Севера им. В. П. Ларионова исследованы Экспериментально и теоретически обос- природа и состояние основных упрочняющих нована возможность использования кинетиче- фаз в износостойких покрытиях, полученных ских уравнений ползучести и повреждаемости электродуговой металлизацией порошковой в энергетической форме вплоть до начала раз- проволоки с тугоплавкими добавками. Иден рушения с немонотонной зависимостью значе- тифицированы тугоплавкие частицы упроч ния удельной работы диссипации на момент няющей фазы Al2O3 в самих покрытиях и в об разрушения от вида напряженного состояния. ласти сплавления с подложкой. Выявлено, что Дана единая методика определения параметров при технологическом воздействии электроду функциональных зависимостей в кинетических говой металлизации частицы Al2O3 пребывали уравнениях со скалярным параметром повреж- в расплавленном диспергированном состоя денности, определяемым нормированной удель- нии, что согласуется с результатами проведен ной работой диссипации. Система кинетичес- ных оценочных расчетов нагрева при испаре ких уравнений и методика обработки экспери- нии тугоплавкой частицы в плазме электриче ментальных данных апробирована при одно- ской дуги.

Программа III.20.4. Физико-химическая механика гетерогенных сред и технологии на их основе (координатор акад. В. М. Фомин) В Институте теоретической и прикладной смеси газообразных реагентов. Тестирова механики им. С. А. Христиановича предложен ние метода проводилось на примере реакции и реализован метод получения монодисперс- TiCl4 + CH4 TiC + 4HCl. Измерения разме ных наноразмерных порошков карбидов тита- ров полученных частиц карбида титана пока на, основанный на адиабатическом сжатии зали, что предлагаемый способ позволяет по лучать практически монодисперсные порошки, в отличие от известных методов. Распределе ние по размерам частиц имеет два пика — около 80 нм и около 400 нм. Оценка размеров частиц методом удельной поверхности показа ла, что средний диаметр частиц равен 61,7 нм.

В том же Институте совместно с Институ том химии и химической технологии на основе механической и гидротермальной обработки продукта термохимической активации глино зема и полых проницаемых сферических изби рательно проницаемых частиц создан компо зитный наноструктурированный сорбент гид роксид алюминия + микросферы (рис. 51). Ис следование процессов сорбции и десорбции на Рис. 51. Фотография композитного сорбента.

Механика и энергетика Рнорм этом сорбенте показало, что коэффициент проницаемости по гелию для микросфер, про шедших процедуру гранулирования, увеличил- 0, ся практически на два порядка по сравнению с 0, исходными микросферами, а также на поря док по сравнению со специально модифициро- 0, ванными ценосферами (рис. 52). Выявленные 0, свойства используются при обогащении гелие вой смеси природного газа гелием.

Для напыления порошковых материалов 0 2 4 6 8 t, ч создан промышленный вариант плазменного Рис. 52. Сравнение скорости изменения давления оборудования со стабильной распределенной гелия в процессе сорбции для ценосфер (1) и ком кольцевой инжекцией порошка в поток терми- позитного сорбента гидроксид алюминия + микро ческой плазмы. Новый плазмотрон с повышен- сферы (2).

ной управляемостью и сроком службы элект родов позволяет более чем на порядок увели горной породы нефтяного пласта, непосредст чить эффективность нагрева и ускорения час венно наблюдался процесс мобилизации ка тиц дисперсной фазы, что обеспечивает прин пель нефти. Показано, что вибрационно-акус ципиально новое качество получаемых плаз тическое воздействие позволяет многократно менных покрытий. Так, для двухслойного по снизить перепад давления, требуемый для то крытия (подслой из NiAl, основной слой — го, чтобы капли пришли в движение и вышли Al2O3) пористость керамического покрытия из сужений пор.

Al2O3 толщиной 500 мкм оказалась менее 2 %, В результате численного и эксперимен а прирост твердости составил почти 30 единиц тального моделирования сварки взрывом пред по шкале HRC.

ложено одно из возможных объяснений явле В экспериментах на прозрачной плоской ния волнообразования при сварке взрывом модели, копирующей структуру пор реальной 0, а б 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 г в Рис. 53. Косое соударение металлических пластин:

а — численный расчет методом Годунова по релаксационной модели Максвелла;

б — метод молекулярной динамики на основе многочастичного ЕАМ-потенциала;

в — эксперимент (метод импульсной рентгенографии);

г — область по вышенного давления выделена штрихом.

116 2. Основные результаты научных исследований металлических пластин — задачи, поставлен- приложения сил от верхней и нижней пласти ной М. А. Лаврентьевым еще в 60-х годах ны при их соударении. В дальнейшем эти точ прошлого века (рис. 53). Показано, что образо- ки периодически меняются местами, создавая вание волн происходит в окрестности точки волны, которые «замораживаются» после вы контакта пластин в области повышенного дав- хода из выделенной области, где материал ве ления и обусловлено автоколебаниями точек дет себя уже упругим образом.

Механика и энергетика ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ III.24.

ТЕОРИЯ СИСТЕМ, ОБЩАЯ ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ И ДРУГИМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ, В ТОМ ЧИСЛЕ ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ, ВЫЧИСЛЕНИЙ И СЕТЕВЫХ СВЯЗЕЙ, А ТАКЖЕ ТЕОРИЯ СЛОЖНЫХ ИНФОРМАЦИОННО УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ, ГРУППОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ Программа III.24.1. Теория управления динамическими системами и методы их исследования (координатор член-корр. РАН А. А. Толстоногов) В Институте динамики систем и теории В том же Институте получены основан управления доказаны теоремы существования ные на использовании вектор-функций Ляпу решения в задаче минимизации интегрального нова (ВФЛ) условия асимптотической устой функционала на решениях управляемой систе- чивости и диссипативности нелинейных сис мы в гильбертовом пространстве с внутренним тем цифрового управления непрерывными и внешним управлениями. Роль внутреннего объектами, в которых управление содержит управления играет многозначная функция вре- как непрерывные, так и дискретные во време мени с выпуклыми замкнутыми значениями, ни компоненты. Для основных классов назван действие которого на систему осуществляется ных систем разработаны и программно реали через входящий в правую часть системы суб- зованы алгоритмы динамического анализа и дифференциал индикаторных функций значе- параметрического синтеза с помощью субли ний внутреннего управления. Исследована нейных ВФЛ (рис. 54). Проведен синтез систе управляемая параболическая система с гисте- мы прецизионной угловой стабилизации нежест резисным и диффузионным эффектами. кой конструкции большого космического теле скопа «Спектр-УФ», обеспечивающей точ ность до 0,03 угл. с (рис. 55).

Угл. с Разработана нестандартная двойствен ность для нелинейных задач оптимального уп равления обыкновенными динамическими сис 0 темами, основанная на обобщенном лагран – z – – 0 50 100 150 200 250 t, с Рис. 54. Переходный процесс при переключении с программного режима на стабилизацию. v r y Угл. с R r 0,02 r R 0, Опорная –0,01 x поверхность –0, –0,03 Рис. 56. Шагающий двуногий робот.

–0, r0 — радиус-вектор центра масс аппарата;

r1, r2 — ра 1150 1160 1170 1180 1190 t, с диус-векторы точек опоры (дискретные управления);

R1, Рис. 55. Установившийся процесс в режиме точной R2 — реакции опоры отнесенные к массе (непрерывные стабилизации. управления);

v0 – вектор скорости движения аппарата.

118 2. Основные результаты научных исследований 1,0 ных управлений, усиливающих принцип мак 2 симума Понтрягина для типовых классов задач 0, динамической оптимизации. Разработаны при ближенные методы решения задач оптималь 0, 0 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 ного управления для логико-динамических систем. Использование данных методов при Рис. 57. Колебание центра масс по оси z при дви решении задачи о шагающем двуногом роботе жении вдоль прямой z = 0,8, x = 0.

(рис. 56), которая была формализована как за 1 — начальное приближение, 2 — полученное решение.

дача оптимального управления логико-дина мической системой, позволило уменьшить в жиане задачи с новыми классами позиционных три раза по сравнению с начальным прибли и бипозиционных функций типа Ляпунова. жением амплитуду колебаний центра масс Двойственность приводит к условиям глобаль- (рис. 57).

ной оптимальности программных и позицион ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ Химические науки ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ V.36.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ ОРГАНИЧЕСКОГО И НЕОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА, НОВЫЕ МЕТОДЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Программа V.36.1. Разработка и адаптация новых физических методов и их применение для исследования химического строения и свойств веществ и процессов на молекуляр ном, надмолекулярном и микроскопическом уровнях (координатор докт. физ.-мат. наук С. А. Дзюба) В Институте химической кинетики и го- В этом же Институте методами электрон рения методом сканирующей проточной цито- ного парамагнитного резонанса и электронно метрии измерены индикатрисы рассеяния го спинового эхо определена топология от лимфоцитов и с высокой статистической до- дельных пептидов-антибиотиков грибкового стоверностью достигнуты результаты, в не- происхождения в модельных биологических сколько раз превышающие возможности мик- мембранах в присутствии холестерина.

роскопического анализа. Решением обратной Для антибиотиков из класса пептидов задачи светорассеяния впервые определены с грибкового происхождения основным механиз точностью 60 нм морфологические характе- мом их действия является образование пор в ристики одиночных лимфоцитов (рис. 1), что позволяет количественно описать различные а процессы, в том числе апоптоз, и выявлять от- клонения в данной функции клеток на ранних стадиях заболевания (рис. 2). Средний раз- мер популяции лимфоцитов был измерен с точностью 30 нм, что открывает новые воз- можности в измерении кинетики апоптоза и создании адекватной биокинетической модели. 180 б Количество клеток 35 30 Интенсивность, отн. ед.

25 в 5 0 100 200 300 400 500 Угол рассеяния, отн. ед. Рис. 1. Взвешенная регулярная индикатриса лим- 4 5 6 7 8 9 фоцита до индукции апоптоза (1) вместе с теорети ческой (2), найденной методом наименьших квад- Размер клетки, мкм ратов и рассчитанной по теории Ми. Результаты Рис. 2. Распределения по размеру лимфоцитов, по характеризации: размер клетки 6,67 ± 0,06 мкм;

лученные в результате характеризации нормальных показатель преломления цитоплазмы 1,375 ± 0,008;

лимфоцитов (а), лимфоцитов с индуцированным показатель преломления ядра 1,396 ± 0,003. процессом апоптоза (б) и лимфоцитов в некрозе (в).


122 2. Основные результаты научных исследований антибиотиков на мембраны клеток. Для мо дельных мембран (рис. 3) на молекулярном FTOAC-8 уровне установлено, что антибиотик Trichogin 1,35 нм при высокой своей концентрации формирует поры в мембране.

Понимание механизма антимикробной ак тивности данного вида пептидов может спо FTOAC-1 0,35 нм собствовать появлению нового поколения ле Дейтерий карств с меньшим токсическим эффектом.

В Институте неорганической химии им.

FTOAC- А. В. Николаева для прямого анализа твердых образцов методом атомно-эмиссионной спект рометрии с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) предложен способ пробоотбора с FTOAC- применением искрового и скользящего разря дов (рис. 4). Пределы обнаружения примесей при электроразрядном пробоотборе состави Рис. 3. Фрагмент модельной мембраны: тетрамер ли 10–5—10–4 мас.% для металлов и 10–4— спин-меченого антибиотика Trichogin GA IV, обра 10–3 мас.% — для стекол. Для анализа кремния зующий канал рядом с молекулами холестерина.

разработаны прямая и комбинированная ме тодики АЭС-ИСП, позволяющие определять мембранах бактерий. Одно из основных отли до 29 примесей (с пределами обнаружения чий мембран бактерий от мембран высших ор n·10–7—n·10–5 мас.%) и 44 примесей (с преде ганизмов — наличие в последних холестерина.

лами n·10–8—n·10–6 мас.%) соответственно. Раз При этом считается, что присутствие холесте работанные методики уменьшают время и рина в мембране препятствует ее разрушению.

стоимость анализа и использованы для анали На основе данных, полученных с исполь тического контроля технологий получения вы зованием спин-меченых пептидов и дейтерий сокочистого кремния для солнечной энергети замещенного холестерина, сделаны выводы о ки и микроэлектроники.

молекулярных механизмах действия пептидов 1 3 Рис. 4. Прямой АЭС-ИСП метод анализа металлов и диэлектриков с применением искрового (слева) и скользящего (справа) разрядов.

1 — анализируемая проба;

2 — противоэлектрод;

3 — поток транспортирующего газа;

4 — аэрозоль пробы;

5 — подача аэрозоля пробы в АЭС-ИСП;

6 — вспомогательный электрод;

7 — проводящая подложка.

Программа V.36.2. Изучение химических превращений и интермедиатов в химических реакциях физическими методами, в том числе методами квантовой химии, спиновой химии, МР-томографии и радиоспектроскопии (координатор акад. Р. З. Сагдеев) В Институте химической кинетики и го- на выход родамина-123 — продукта реакции рения совместно с Институтом цитологии и окисления дигидрородамина пероксинитритом, генетики и Университетом г. Констанц (Гер- образующимся при рекомбинации радикалов •– мания) изучено влияние магнитного поля NO и O2 в водном буфере при pH 7,6 в диапа Химические науки зоне напряженностей поля вплоть до 18 Тл.

Увеличение выхода ONOO–, % Найден статистически достоверный магнитный эффект (рис. 5), возрастающий приблизитель- но линейно до величины 5,5 ± 1,6 % при ком натной температуре и величины 3,1 ± 0,7 % при температуре 40 °С. Предложена модель, объясняющая влияние магнитного поля на ско рость реакции NO с O2•–. Обнаруженное увели чение выхода пероксинитрита при рекомби нации оксида азота и супероксид-аниона яв ляется первым экспериментальным наблюде нием ускорения под действием магнитного 0 5 10 15 поля свободной (негеминальной) рекомбина- Магнитное поле, Тл ции малых биологически важных радикалов Рис. 5. Влияние магнитного поля на выход пер в растворах. оксинитрита в реакции окисления дигидрородамина В Институте «Международный томогра- в родамин-123.

фический центр» совместно с Новосибирским институтом органической химии им. Н. Н. Во рожцова предложен новый способ управления различных блок-сополимеров с узким молеку реакцией радикальной полимеризации в при- лярно-массовым распределением (рис. 6).

сутствии нитроксильных радикалов. В качест- В Институте «Международный томогра ве медиаторов полимеризации использованы фический центр» разработана методика ЯМР нитроксильные радикалы с протонируемыми термометрии, позволяющая неразрушающим группами. Метод основан на влиянии кислот- образом получать количественные карты про ности среды на скорость гомолиза алкокси- странственного распределения температуры в амина, продукты распада которого инициируют грануле и в слое гетерогенного катализатора и контролируют полимеризацию. Предложен- in situ (рис. 7). Метод основан на исследовании ным методом удается подобрать оптимальные температурной зависимости амплитуды сигна ла ЯМР 27Al подложки -Al2O3. На примере условия полимеризации для различных моно меров, что открывает возможности получения реакции гетерогенного каталитического окис N N а б N N Вода O Т = 90 °С kd OH N–O + R N –O SO3Na O R 2,5· Индекс полидисперсности рН = 8,7 рН = 3,0 рН = 3, 2,0· ln(Cmax – C)/Cmax Mn, г/моль –2 2, 1,5· рН = 7,2 2, рН = 7, 1, рН = 8,7 1,0· 1, – 1, 5,0· 1, 1, 0 2000 4000 6000 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, Время, с Степень превращения Рис. 6. Изменение скорости гомолиза алкоксиамина при различных рН и одной температуре (а). Кинетика полимеризации 4-стиролсульфоната натрия, инициированная алкоксиамином, при различных рН (б). Откры тые значки — индекс полидисперсности.

124 2. Основные результаты научных исследований max 0 0,8 1,0 1, Интенсивность сигнала ЯМР Расход Н2, см3/с 1,7 2,0 2,3 2, min Рис. 7. Количественные карты температуры работающего катализатора, полученные регистрацией сигнала ЯМР 27Al твердой фазы.

ления водорода показано, что данный метод изучения многофазных каталитических про позволяет получать количественные карты цессов с участием газа, жидкости и твердого температуры с субмиллиметровым простран- катализатора.

ственным разрешением. Метод применим для Программа V.36.3. Разработка физико-химических и каталитических методов активно го управления направлением и скоростью химических превращений (координатор акад.

В. Н. Пармон) В Институте катализа им. Г. К. Борескова В этом же Институте совместно с Инсти разработан лабораторный вариант интеграль- тутом неорганической химии им. А. В. Нико ного микроканального топливного процессора лаева для целей водородной энергетики разра для производства водородсодержащего газа из ботаны AuPd/C- и PdPtRu/C-катализаторы и на легких углеводородов. Процессор состоит из макетах водород-кислородного и метанольного шести специализированных микроканальных топливных элементов показано, что удельная реакторов, четырех микроканальных теплооб- каталитическая активность в реакции окисле менников, совмещенных со смесителями, и ния чистого водорода или водорода с приме двух испарителей (рис. 8). Определены опти- сью СО (0,013 и 0,11 об.%) не уступает актив мальные условия работы реактора. При скоро- ности коммерческих систем на основе плати стях потока 6 и 3 мл/с концентрация моноок- ны, а в ряде случаев превосходит ее. Показано сида углерода на выходе не превышает 20 и также, что анодные катализаторы PdPtRu/С не 3,5 ppm соответственно. КПД процессора со- уступают по активности в электроокислении ставляет 62 %. Топливный процессор обладает метанола коммерческому катализатору PtRu/C удельной мощностью 550 Вт/дм3 и позволяет (рис. 9).

получать водородсодержащий газ с низким содержанием монооксида углерода.

Химические науки Рис. 8. Схема и внешний вид интегрального топливного процессора на шести микроканальных каталитических реакторах для конверсии метана в чистый водород.

Pd 2H+ + 2e– H Au Плотность тока обмена, мкА/см 120 Структура «ядро(Au)—оболочка(Pd)»

«Гомофильная»

структура Au/C Pd/C 0 1 2 3 Pd : Au, моль/моль Рис. 9. Активность AuPd/C-катализаторов в реакции анодного окисления Н2.

Условия реакции: 25 °C, 0,11 об.% СО в Н2, 0,1 В, 0,1 М H2SO4.

126 2. Основные результаты научных исследований Программа V.36.4. Управление химическими процессами путем воздействия на системы высокого давления, различного рода излучений, электрического и магнитного полей в стационарном и импульсном режиме (координатор докт. хим. наук О. И. Ломовский) В Институте химии твердого тела и меха- Увеличение размеров агломератов в 2 раза нохимии совместно с Институтом неоргани- приводит к увеличению почти на порядок ад ческой химии им. А. В. Николаева и Институ- сорбционной емкости, что чрезвычайно важно том ядерной физики им. Г. И. Будкера разрабо- для медицины, катализа и разработки новых таны радиационно-термические методы полу- высокоэнергетических материалов. Чистота син чения нанохорнов с повышенной адсорбцион- тезированного продукта по саже и графиту ной емкостью. Впервые в мире достигнут раз- превышает чистоту аналогов.

мер агломератов нанохорнов ~200 нм (рис. 10).

Рис. 10. Агломераты нанохорнов (слева) и строение отдельного элемента (справа).

Программа V.36.5. Развитие химии комплексных, кластерных и супрамолекулярных структур и синтез новых веществ на их основе (координатор член-корр. РАН В. П. Федин) В Институте неорганической химии им. Ir(III). Изучение электрохимических свойств А. В. Николаева разработан подход, позво- комплекса показало возможность обратимого ливший впервые получить комплекс полиоксо- окисления до Ir(IV) и необратимого — до бо вольфрамата с иридием. Использование в ка- лее высокой степени окисления. Комплексы честве прекурсора комплекса иридия с более благородных металлов с полиоксометаллатами лабильными фторидными лигандами по срав- являются высокоэффективными катализатора нению с другими галогенидными комплексами ми широкого спектра реакций, в том числе позволило впервые синтезировать полиоксо- окисления органических субстратов, фотоката анион состава [PW11O39Ir(H2O)]4– (рис. 11). литического разложения воды и др. Особый В процессе реакции Ir(IV) восстанавливается в интерес представляют соединения иридия, ко Химические науки Ir торый в высоких степенях окисления (+4 и выше) должен быть сильным окислителем.


В этом же Институте разработаны методы K2IrF6 + получения стабильных нанопористых металл органических координационных полимеров — перспективных материалов для хранения и [PW11O39]7– (TBA)4[PW11O39Ir(H2O)] тонкой очистки газов. Соединение цинка Рис. 11. Первый пример включения иридия в струк [Zn4(dmf)(ndc)4(ur)2] (где dmf — диметилформ туру полиоксометаллата (голубая — молекула воды, амид, ndc — нафталиндикарбоксилат, ur — которая может быть замещена на другие лиганды).

уротропин) с каналами диаметром 1 нм обра тимо сорбирует большие количества таких га касах и обеспечивающих дополнительную по зов, как ацетилен и углекислый газ, но не сор ляризацию поверхности внутри новой гибрид бирует монооксид углерода (рис. 12).

ной структуры (рис. 13). Для новых материа В этом же Институте разработан новый лов на основе кластеров рения, вольфрама и подход к повышению сорбционных характе молибдена, включенных в каркас терефталата ристик нанопористых металлорганических хрома MIL-101, показано, что вольюметричес каркасов по отношению к водороду, основан кая емкость гибридного сорбента по отноше ный на включении в нанополости больших от нию к водороду превышает емкость «чистой рицательно заряженных металлокластеров, матрицы» в тех же условиях.

уменьшающих свободное пространство в кар V, мл/г 0 20 40 60 80 p/ p Рис. 12. Структура [Zn4(dmf)(ndc)4(ur)2] (слева) и его сорбционная способность по отношению к CO (1), CO (2) и ацетилену (3) (справа).

Залитые значки — адсорбция, пустые — десорбция.

vs.

0,9 нм [Re4S4F12]4– или [SiW11O39]7– MIL- Рис. 13. Новый подход к повышению сорбционных характеристик нанопористых металлорганических каркасов.

Включение кластера увеличивает сорбционную способность к Н2 (справа).

128 2. Основные результаты научных исследований Программа V.36.6. Развитие научных основ направленного органического, элементор ганического и неорганического синтеза с целью разработки рациональных методов по лучения новых биологически активных веществ, синтонов, мономеров, полимеров и прекурсоров высокотехнологичных материалов (координаторы акад. Б. А. Трофимов, докт. хим. наук И. А. Григорьев) В Иркутском институте химии им. монов насекомых и гормонов млекопитающих.

А. Е. Фаворского открыта диастереоселектив- Реакция катализируется наноструктурирован ная димеризация практически важных ацети- ными суперосновными суспензиями гидрок леновых спиртов в метилендиоксабицикло- сид щелочного металла—диметилсульфоксид октаны (рис. 14) — структурные аналоги феро- (ДМСО) и протекает в мягких условиях с боль R1 R R R KOH/ДМСО/HС СH Me O O 70—80 °C, 10—15 мин OH H R R до 80 % Рис. 14. Диастереоселективная димеризация ацетиленовых спиртов в метилендиоксабициклооктаны.

Гибридные радикалы eff (B.М.) 1, 2, 1, 1, 2, 1, 1, 2, 1, 1, 1,514 1, 1, 1, 1, 1,283 1, N N 1, 1, O 1, 1, 1, 1,407 1,.....

2,308 1, H 1, 1,367 1,367 1,435 1, H 1, 1, 1,.

1, 1,.....

1,531 1, N N 1,358 1,355 2, 1,471 1,4 7 O O 1, 1,246 1,539 1,539 1, 1,539 1, 0, 1, 1,539 1, 1,539 1,472 1, O 1, 1,248 1, 0, 1, 1,540 1, O 0, 0 50 100 150 200 250 T, K Рис. 15. Гибридные феноксил-нитроксильные радикалы.

Верхний ряд: структура гибридных радикалов и их ЭПР-спектров. Нижний ряд: сравнительные характеристики длин связей в кристаллах известных феноксильных и нитроксильных радикалов и гибридного радикала;

магнитометрические характеристики образца.

Химические науки шой скоростью (70—80 °C, 10—15 мин, ацети- Полученные радикалы интересны в ка лен). При этом всегда образуется только один честве потенциальных бифункциональных ка диастереомер, даже если в молекулах содер- тализаторов гибридного типа, используемых жится несколько асимметрических атомов угле- для мягкого и селективного окисления спиртов рода, т. е. реакция строго стереоселективна. Пре- в кислоты и кетоны, а также как хелаты для паративный выход продуктов до 80 %. Открытая получения смешанных металлорганических па реакция принципиально дополняет синтетичес- рамагнитных материалов. На основе гибрид кую и теоретическую химию ацетилена. ных радикалов могут быть синтезированы по В Новосибирском институте органичес- лимерные электроактивные материалы — ана кой химии им. Н. Н. Ворожцова разработан логи поли(стиролгальвиноксилов), применяю уникальный подход к синтезу неизвестных ра- щиеся в последнее время в создании перезаря нее гибридных феноксил-нитроксильных ра- жаемых гибких пленочных полностью органи дикалов (рис. 15) на базе производных 2-арил- ческих аккумуляторов.

4Н-имидазола. Представители нового типа ра- В Байкальском институте природопользо дикалов являются высокоплавкими кристалли- вания разработан способ получения аромати ческими веществами, устойчивыми в обычной ческих полибензимидазолов окислительной атмосфере при комнатной температуре дли- дегидроциклизацией полиамидинов, получен тельное время. Гибридным радикалам свойст- ных взаимодействием ароматических динит венна стабильность обычных нитроксидов в со- рилов с диаминами (рис. 16) в растворе ион четании со структурными особенностями галь- ных жидкостей на основе 1,3-диалкилзаме виноксила. По РСА-данным длины связей в щенного имидазолия. В отличие от традици кристалле гибридного радикала соответствуют онного подхода использованы доступные и структуре феноксила. В то же время в раство- стабильные мономеры. Полученные пленкооб ре, как следует из спектров ЭПР, большая кон- разующие полибензимидазолы обладают вы сокой термостойкостью (380—430 °С), раство станта СТВ на ядрах азота aN1 = 5,27 Гс и aN3 = 0,63 Гс, равно как и величина g-фактора римы в органических растворителях и пер 2,0055—2,0065, свидетельствует о значитель- спективны для получения пленочных материа ном вкладе нитроксильной формы. лов для протонпроводящих мембран топлив ных элементов и гибких светодиодных матриц.

X NH NH X N Ar + N N Ar N H2 N NH2 H H n X N N Ar N N H n H O X = –, –O–, –CH2–, –SO2– Ar = Рис. 16. Метод получения ароматических полибензимидазолов окислительной дегидроциклизацией полиамидинов.

130 2. Основные результаты научных исследований ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ V.37.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИИ МАТЕРИАЛОВ, ВКЛЮЧАЯ НАНОМАТЕРИАЛЫ Программа V.37.1. Совершенствование технологий синтеза и модифицирования раз личных классов материалов и покрытий на их основе (координатор акад. Н. З. Ляхов) В Отделе структурной макрокинетики вации, позволяющей вести СВС-процесс без Томского научного центра разработана СВС- подогрева, а также получать более развитую технология синтеза катализаторов системы внутреннюю структуру механокомпозита с не Ni–Al для углекислотной конверсии метана с обходимым фазовым составом (Ni, Ni3Al, использованием предварительной механоакти- рис. 17). Достигнутая глубина углекислотной конверсии метана в синтез-газ на разработан ных катализаторах составила по CO2 и CH4 и 90 % соответственно. Результаты важны для создания мобильных установок для переработ ки природного газа в диметиловый эфир.

В Институте химии твердого тела и меха нохимии совместно с Институтом физики Юж ного федерального университета (г. Ростов-на Дону) осуществлен механохимический синтез и исследованы свойства сегнето- и пьезокера мик на основе феррита висмута, а также нио бата лития, допированного ионами переходных 50 мкм металлов. Показано, что механическая актива ция шихты позволяет существенно сократить Рис. 17. Микроструктура образца Ni3Al после время и температуру последующего синтеза механоактивации в течение 3 мин и послойного оксидного материала, а также снизить темпе горения.

ратуру и время спекания керамики. Так, при синтезе керамики на основе ниобата лития с модифицирующими добавками меди и титана 2400 использование механохимической обработки Интенсивность, отн. ед.

шихты, содержащей карбонат лития и оксид в ниобия, позволяет снизить температуру про цесса с 800 до 500 °С, сократить в несколько раз время реакции, на 100 °С снизить темпера 1200 б туру спекания керамики (рис. 18). Для системы с ферритом висмута получен продукт со зна чительно более низким содержанием переход 400 а ных фаз. Результаты могут быть интересны для разработки механохимической технологии син 20 30 40 50 2, град теза сегнето- и пьезокерамик на основе бес свинцовых материалов.

Рис. 18. Дифрактограммы образцов сегнето- и пье В Институте углехимии и химического ма зокерамик на основе бессвинцовых материалов, териаловедения изучены наноразмерные сис полученных методом механохимического синтеза:

темы Fe–Co, Fe–Ni, Ni-Co, Ni–Cu, построены a — смесь исходных компонентов после механической фазовые портреты и установлены основные активации в течение 10 мин;

б — механически активиро ванная смесь после отжига при 400 °С;

в — после отжига отличия их фазовых диаграмм от соответст при 500 °С. — Nb2O5 моноклинный, — Nb2O5 орто вующих массивных (макроразмерных) систем ромбический, — ниобат лития с модифицирующими (рис. 19). Изучены магнитные свойства систем добавками меди и титана.

Химические науки S, A·м2/кг T, K ГЦК ОЦК ОЦК + ГЦК Тэфф FeNi FeNi 500 ОЦК + FeNi + ГЦК 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1, Мол.%, Ni Рис. 19. Фазовый портрет наноразмерной системы Fe–Ni, эффективные температуры (Тэфф) и значения удельной намагниченности насыщения полученных систем (1) в сравнении с литературными данными (2).

в постоянном поле. Для Fe–Co и Fe–Ni достиг- таты. Синтезированные порошки могут быть нуты величины намагниченности насыщения, использованы в микроэлектронике и медицин превышающие на 10—15 % известные резуль- ской диагностике.

Программа V.37.2. Исследование взаимосвязи «структура—химические свойства» в функциональных наноматериалах, анализ реакционной способности и стабильности функциональных наноматериалов в условиях воздействия реакционных сред (коорди натор член-корр. РАН В. И. Бухтияров) В Новосибирском институте органичес- ствии пучка электронов с плотностью энергии от 10 до 50 Дж/см2. Методом электронной мик кой химии им. Н. Н. Ворожцова разработан технологичный метод синтеза первого перфто- роскопии высокого разрешения показано, что рированного полиимида АВ-типа на основе для углерода Т900 с диаметром частиц 100— тетрафторфталевой кислоты и продемонстри- 500 нм наблюдаются упорядочение структуры, рованы уникальные характеристики нового выражающееся в уменьшении среднего рас полимерного материала в области ближнего стояния между графеновыми плоскостями с ИК-диапазона (рис. 20). Окно прозрачности, достижением характерных для графита вели наблюдаемое благодаря отсутствию обертонов чин межплоскостных расстояний, и образова колебаний связей С–Н и О–Н в диапазоне ние частиц уникальной морфологии, напоми 1,0—1,7 мкм инфракрасного спектра в поли- нающей срез бутона розы (рис. 21). Для угле мере нового типа, делает синтезированные по- рода П145 и П324 (диаметр частиц 10—50 нм) лиимиды конкурентоспособными материалами отмечается формирование нанокапсул диамет в современных оптокоммуникационных техно- ром от 2 до 20 нм с расстоянием между графе логиях. новыми слоями 0,345—0,360 нм. Полученные В Институте проблем переработки угле- материалы перспективны для создания акку водородов совместно с Институтом сильно- муляторов и суперконденсаторов с высокой точной электроники изучены процессы пере- плотностью энергии.

стройки структуры наночастиц глобулярного В этом же Институте проведена модифи углерода марок П145, П324 и Т900 при воздей- кация углеродного гемосорбента N-винилпир 132 2. Основные результаты научных исследований F O F OF F O F O O O O N F OH –H2O OH NH3 160—180 °C O F F F F O N OH OH расплав H2N O F H2N H2N O O O бензойной n O F кислоты Н-содержащий полиимид Перфторированный полиимид, нм 1000 1200 1400 1600 Рис. 20. Схема синтеза перфторированного полиимида (вверху) и сравнительные характеристики полос по глощения в ИК-спектрах ближнего диапазона нефторированного и перфторированного полимеров (внизу).

а б 10 нм 20 нм в г 5 нм 5 нм Рис. 21. Изменение структуры наноглобулярного углерода под воздействием высокоэнергетического облу чения: ЭМ-снимки фрагментов частиц образца Т900 после облучения пучком электронов с плотностью энергии 10 Дж/см2 (а) и 25 Дж/см2 (б) и нанокапсул, образующихся после облучения образцов техни ческого углерода П145 (в) и П324 (г) пучком электронов с плотностью энергии 50 Дж/см2.

Химические науки Рис. 22. Посев бактериальных культур после контакта с обычным сорбентом (слева) и после контакта с сор бентом, модифицированным поли-N-винилпирролидоном (справа).

ролидоном с последующей его полимеризаци- ным бактериям (синегнойная и кишечная па ей в поровом пространстве материала. Стендо- лочки, клебсиелла пневмонии), а также к грам выми медико-биологическими испытаниями положительной бактерии золотистому стафи установлены антибактериальные свойства по- лококку. Полученный модифицированный сор лученных образцов материала по отношению бент является перспективным материалом для к патогенной микрофлоре — грамотрицатель- аппликационной медицины (рис. 22).

134 2. Основные результаты научных исследований ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ V.38.

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Программа V.38.1. Развитие научных основ адсорбционных, мембранных и каталитиче ских процессов переработки каустобиолитов для получения моторных топлив и про дуктов нефтехимии. Разработка новых химико-технологических процессов и аппаратов переработки минерального сырья (координатор член-корр. РАН В. А. Лихолобов) В Институте катализа им. Г. К. Борескова низкосортных бензиновых фракций и изучено разработаны методы синтеза образцов сили- влияние реакций переноса водорода на на коалюмофосфатов SAPO-31 и изучены свойст- правления превращения тиофеновых соедине ва продукта в зависимости от природы исход- ний в условиях каталитического крекинга. Ус ных компонентов, а также от состава реак- тановлено, что вовлечение в состав катализа ционной смеси, условий ее приготовления и тора Zn-, Co-, Ni-, РЗЭ-содержащих форм цео гидротермальной обработки. Разработан оте- литов Y и ZSM-5, а также Mg,Al- и Zn,Mg, чественный катализатор гидроизомеризации Al-шпинелей позволяет не только увеличить Pt/SAPO-31 и успешно проведены его пилот- степень превращения тиофенового соедине ные испытания в гидропревращении реально- ния, но и повысить селективность целево го сырья дизельной фракции. Показано также, го направления — образования сероводорода что металлсодержащие силикоалюмофосфаты (рис. 23). Разработан способ снижения содер SAPO-31 являются перспективными катализа- жания сернистых и непредельных соединений торами гидропревращения растительных масел в низкосортном прямогонном бензине и бензи с получением фракции С15–С18 с высоким со- не коксования. Предложенный метод позволя держанием изомерных продуктов (табл. 1). ет снизить содержание сернистых соединений В Институте проблем переработки угле- на 85—99 % и непредельных соединений — на водородов предложен метод облагораживания 85—95 %.

Таблица HZSM- Сравнение результатов, полученных на разрабо- ZnZSM- танном катализаторе и на промышленном об разце ICR-404 R2 = 0, Доля S сырья H2S, мас.% ICR-404 (1 % 1% ZnHREY Характеристика REY Pt/SAPO-11) Pt/SAPO-31 процесса Chevron Co. ИК СО РАН Гидропревращение дизельной фракции MgAlOx Тзаст. нач, С –3 – ZnMgAlOx Тзаст. кон, С –35 (–44)—(–50) Выход, % 94 99 HREY Гидропревращение масляной фракции 48,0 51,0 54,0 57,0 60, Содержание i-Bu в сумме Bu, % Тзаст. нач, С 42 Рис. 23. Селективность образования сероводорода Тзаст. кон, С –15 –5 для различных типов катализаторов — Zn-, Co-, Ni-, РЗЭ-содержащих форм цеолитов Y (в том числе Выход, % 55—60 70— REY, HREY) и ZSM-5, а также Mg,Al- и Zn,Mg, Al-шпинелей.

Химические науки ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ V.39.

ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭКОЛОГИИ И РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ, ВКЛЮЧАЯ НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ И БЕЗОПАСНОГО ХРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Программа V.39.1. Разработка методов направленной трансформации растительной биомассы в востребованные химические продукты, биодеградируемые и биологически активные полимеры, нанобиокомпозиты с практически полезными свойствами (коор динатор докт. хим. наук Б. Н. Кузнецов) В Институте углехимии и химического Таблица материаловедения обосновано использование Увеличение урожайности овса после гуматов Na и K в различных концентрациях (от применения гуматов натрия и калия 0,005 до 0,02 %) на породных отвалах, лёссо Эксперимент Эксперимент 1 Эксперимент видном суглинке, техногенном элювии для Контроль 1,9 2, стимулирования всхожести семян, накопления (без гуматов) вегетативной массы растений, прироста массы Hum Na-1 2,7 2, зерен и увеличения урожайности ряда сельско Hum Na-2 2,7 2, хозяйственных культур и многолетних трав.

Hum Na-3 2,5 3, Полученные результаты могут быть использо Hum K-1 2,5 2, ваны для комплексной рекультивации нару Hum K-2 2,6 2, шенных земель (табл. 2).

Hum K-3 2,5 3, В Институте химии и химической техно логии разработан способ получения волокни- Таблица стых композитных сорбентов из смеси вспе- Свойства нефтесобирателей из вспененного по ненного полистирола и растительных отходов, листирола и растительных отходов (содержание активированных взрывным автогидролизом. наполнителей 32 мас.%).

Установлено, что наиболее эффективными на- Нефте- Степень Плаву полнителями для нефтесобирателей на основе Наполнитель емкость, отжима честь, % полистирольного волокна являются автогид- г/г* нефти, % (200 ч) ролизованные береста березы, опилки и кора Опилки осины 7,2/9,4 82 осины (табл. 3). Полученные сорбенты по неф Окорка осины 7,1/9,3 80 теемкости и плавучести после сбора нефти на Береста березы 7,9/9,9 85 ходятся на уровне промышленных образцов и Экосорб 6,9/7,8 70 превосходят их по степени отжима нефти. Ис IRVELEN 7,2/8,4 75 пользование автогидролизованных раститель * В числителе — при 20 °С, в знаменателе — при 0 °С.

ных отходов в качестве наполнителей нефте собирателей позволяет на 50 % снизить содер- Таблица жание в них полистирольного волокна. Свойства энтеросорбентов из коры березы В этом же Институте разработан способ в сравнении с известными продуктами приготовления энтеросорбентов из автогидро Сорбция лизованной березовой коры и ее компонентов. Исходный материал Показано, что вариация условий активации I 2, % MC, мг/г Желатин, мг/г коры, луба и бересты березы взрывным авто- Кора березы 28,8 148,2 46, гидролизом (температура, давление водяного Луб 23,4 167,3 131, пара, время активации) позволяет целенаправ- Береста 30,6 67,1 78, ленно модифицировать свойства получаемых Полифепан 26,5 56,8 34, энтеросорбентов (табл. 4). «Экосфера»

В Иркутском институте химии им А. Е. Фа- Полифепан 29,2 57,1 35, ворского установлено, что наночастицы эле- «Сайнтек»

136 2. Основные результаты научных исследований Рис. 24. Люминесцентная визуализация наночастицами элементного селена в арабиногалактане.

ментного селена в арабиногалактане проявля- (дизайн новых высокоэффективных лекарст ют свойства полидисперсных квантовых то- венных селенсодержащих препаратов и визуа чек — излучают свет в широком диапазоне лизирующих диагностических средств), а так частот и хорошо визуализируются в люминес- же для материаловедения — для создания но центном микроскопе при выделенных часто- вых многоцелевых люминесцентных материа тах возбуждения и регистрации излучения лов со свойствами квантовых точек.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.