«Межчастичные
взаимодействия являются основой высокочувствительных методов in situ
исследований гетерогенных катализаторов и могут служить инструментом изучения
формирования наночастиц. Взаимодействия чувствительны к структуре поверхности
наночастиц, это позволяет рассматривать процессы адсорбции, связи с носителями,
перестройку атомов в самой частице. Изменение структуры приводит к изменению
межчастичного взаимодействия. Высокая чувствительность обменного взаимодействия
к строению наночастицы в совокупности с магнитными межчастичными
взаимодействиями дают в результате эффективный метод исследования строения и
свойств каталитически активных наночастиц с уникальной чувствительностью. Также
одним из наших самых оригинальных открытий оказалось обнаружение тонкой
структуры спектра ферромагнитного резонанса, которая возникает вследствие
межчастичных взаимодействий. Эта структура оказалась настолько чувствительная,
что с её помощью можно изучать локальную неоднородность совмещённых манганитов
лантана, а изменения локальной концентрации, в свою очередь, приводят к
изменению кислородной подвижности и каталитической активности»,
— отметил учёный.
Помимо
этого, Олег Мартьянов рассказал о разработке установки для исследования
начальных стадий формирования наночастиц, на которой в режиме in situ
исследователи получили массу интересных результатов в сверхкритических
условиях. В частности, оказалось, если создаётся даже небольшой температурный
градиент, то процессы формирования частиц идут разными способами.
«Новые
данные позволили нам предложить несколько новых методов получения
энергокомпонентных катализаторов. Например, соосаждение прекурсоров вместе с
золями оксидов в сверхкритическом СО2 для синтеза высоконаполненных
высокодисперсных моно- и биметаллических катализаторов. Также мы предложили
способ иммобилизации металлоорганических координационных полимеров (МОКП) в
аэрогелевой матрице. Удалось сохранить не только структуру каталитического
активного центра, но и доступность. Впервые это позволило провести разделение
близких органических молекул в проточном режиме. А так как МОКП практических не
поддаются формированию, это принципиально ограничивает их практическое
применение — здесь и нужен проточный режим. Межчастичные взаимодействия —
эффективный инструмент управления поведением высокодисперсных систем»,
— подчеркнул исследователь.
С
докладом о внутренних и инерционных волнах в жидких оболочках небесных тел
выступил директор Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН доктор
физико-математических наук Евгений Валерьевич Ерманюк.
При
приливном взаимодействии небесных тел спутник, движущийся вокруг вращающегося
центрального тела, как правило, постепенно отдаляется. Скорость этого движения
связана с глобальной диссипацией приливного движения в центральном теле. В
большинстве планет диссипация происходит в относительно толстой жидкой
оболочке, причём величина диссипации может меняться на несколько порядков в
зависимости от конфигурации возбуждаемых в ней внутренних и/или инерционных
волн. Земля в этом смысле необычна, поскольку порядка 95 % диссипации энергии
приливного движения происходит в очень тонком жидком слое (Мировом океане),
масса которого составляет около 0,023 % от массы планеты. Приливное движение в
океане представляет собой горизонтальные колебания с амплитудой порядка 50
метров.
«При
взаимодействии колеблющейся стратифицированной по плотности жидкости с рельефом
дна происходит генерация внутренних волн. Суммарная мощность этого процесса в
масштабах Земли составляет около 1 ТВт — порядка четверти от суммарной
диссипируемой мощности приливного движения, составляющей 4 ТВт. Внутренние и
инерционные волны имеют весьма специфические дисперсионные соотношения, в
которые не входит масштаб длины. Соответственно, частота возмущения задает
угол, под которым эти волны распространяются, а структура пучка волн зависит от
геометрии границ жидкого объема. Решение задачи в рамках модели идеальной стратифицированной
жидкости осложняется наличием сингулярностей на характеристиках, касательных к
твёрдой границе области, на которых скорость обращается в бесконечность.
Математически это сильно усложняет задачу. Для изолированных объектов
(подводные горы, подводные аппараты) можно получить соотношение аффинного
подобия, позволяющие при соответствующей замене переменных использовать
результаты теории присоединённых масс тел, колеблющихся в однородной жидкости,
для расчёта мощности излучения внутренних волн телами, совершающими колебания в
стратифицированной жидкости. Чтобы экспериментально проверить теорию на
лабораторных масштабах, понадобилась разработка методики, позволяющей надёжно
измерить частотные характеристики колеблющихся тел при мощности излучения в диапазоне
от 10⁻⁸
до 10⁻⁵
Вт, а для определения количественных характеристик пространственных полей внутренних
волн потребовалось разработать ряд оригинальных оптических методов»,
— прокомментировал Евгений Ерманюк.
При
дальнейших исследованиях ученые ИГиЛ СО РАН в сотрудничестве с коллегами из
Лиона и Перми разработали несколько вариантов экспериментальных установок,
позволяющих изучить характеристики волновой турбулентности в аттракторах
внутренних волн. Это сложное явление, которое возникает при многократном
отражении волн от границ области. Оказалось, что волны в аттракторе неустойчивы
по механизму триадного резонанса. Возникающая в результате каскада
неустойчивостей волновая турбулентность — это физическая модель абиссального
перемешивания в океане. Наличие абиссального перемешивания принципиально
необходимо для замыкания схемы глобальной циркуляции вод в океане. В отдельных
областях океана из-за сложного рельефа дна и наличия параллельных подводных
хребтов возникают сложные системы внутренних волн, в том числе волновых
аттракторов, достаточно мощных диссипативных структур, отвечающих за локальное
перемешивание. В последнее время исследования ученых из ИГиЛ СО РАН направлены
на исследование каскада энергии во вращающейся жидкости, в результате которого возникают
нетривиальные азимутальные структуры — вихревые кластеры, волны Россби и
другие. Характеристики волновой турбулентности и крупномасштабных вихревых
структур исследуются в физических и численных экспериментах с помощью
современных методов постпроцессинга данных.
Заведующий
лабораторией биомеханики и многомасштабной механики сложных сред ИГиЛ СО РАН
доктор физико-математических наук Александр Павлович Чупахин представил доклад
«Комплексное исследование гемодинамики головного мозга: клинические и лабораторные
эксперименты, математическое и компьютерное моделирование».
«При
изучении кровообращения важно исследовать не отдельно движение крови и отдельно
сосуды, а взаимодействие потока крови в сосуде со стенкой этого сосуда и его
окружением», — сказал Александр Чупахин. Для
разветвлённой сложной сети разномасштабных сосудов необходимо учитывать их
геометрию. При этом гемодинамика работает по-разному, сосуды различаются по
своим прочностным и реологическим свойствам, следовательно, необходимо
опираться на реологию (деформационные свойства и текучесть веществ) и механику
прочности. Сложный характер ламинарного течения крови, изобилующий вихревыми
зонами и вторичными течениями, заставляет обращаться к гидродинамике и реологии
жидкости. Течение крови в сосуде представляет собой единый гидроупругий
комплекс «поток крови — вязкоупругая стенка сосуда — окружение сосуда», для
понимания которого необходимо понимание гидроупругости.
Александр
Чупахин более подробно рассказал о применении результатов работ при проведении
операций. В частности, об использовании компьютеризованного
приборно-измерительного комплекса для того, чтобы фиксировать изменение
параметров кровеносной системы в ходе операции. «Это позволяет судить об
эффективности действий», — отметил он. Кроме того, разработан новый
алгоритм эндоваскулярного лечения артериовенозных мальформаций (аномальных
соединений между артериями и венами в обход капиллярной системы), а совместно с
коллегами из Международного томографического центра СО РАН под руководством члена-корреспондента
РАН Андрея Александровича Тулупова проводится серия
экспериментов, направленных на изучение механики стенок сосудов совместно с гидродинамическими
процессами.
Многие
из результатов, полученные специалистами ИГиЛ СО РАН совместно с коллегами из
ряда научных и медицинских учреждений, уже нашли применение в разработке новых
методов лечения сосудистых патологий.
Врио
директора Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича
СО РАН доктор физико-математических наук Евгений Иванович Краус рассказал о
численном конструировании гетерогенных материалов с заданными свойствами.
«Перед
нами стояла цель — получение физико-механических свойств гетерогенных
материалов в экстремальных условиях, — пояснил учёный. — Для
этого необходимо было установить закономерности динамического отклика,
деформирования и разрушения гетерогенной среды при высокоскоростном соударении
(до 20 км/с) при сложных условиях нагружения. Еще одна важная задача
заключалась в том, чтобы создать отечественный программный пакет численного
конструирования гетерогенных материалов с заданными свойствами».
По
словам Евгений Крауса, для достижения намеченных крупных целей понадобилось
решить ряд более мелких, но не менее важных задач. «Во-первых, нам нужно
было создать численный инструментарий и реализовать в нем уравнения баланса
массы, импульса и энергии, — объяснил исследователь. — Во-вторых,
разработать малопараметрическое уравнение состояния для гомогенных материалов с
учётом плавления, а также уравнение процесса, учитывающее изменения
механических свойств материала от давления и температуры. В-третьих, создать
автоматический генератор сетки для произвольных геометрий и реализовать
критерии разрушения. Для этого необходимо было разработать модель разрушенного
материала и реализовать контактные условия по гибридной схеме (сеточного и
бессеточного) методов. В-четвёртых, провести верификацию и валидацию программного
кода и создать модель гетерогенного материала. И наконец, разработать
отечественный программный пакет, позволяющий осуществлять численное
конструирование гетерогенных материалов с заданными свойствами».
Созданный
специалистами программный комплекс, получивший название REACTOR 3D, позволяет
проводить численный эксперимент по динамическому воздействию на гетерогенные,
гомогенные материалы и конструкции, обеспечивая импортозамещение зарубежных
пакетов (например, LS-DYNA, ANSYS и другие). «Разработанный нами программный
комплекс с помощью модели прямого численного моделирования может предсказывать
отклик гетерогенной среды от высокоэнергетического воздействия и с высокой
точностью воспроизводить процессы деформирования, разрушения, образования
кратера и формирование запреградного облака в гетерогенных средах. Также
REACTOR 3D дает возможность конструировать структуру гетерогенного материала
для формирования заданных физико-механических свойств», — заключил Евгений
Краус.