Ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) создают модели, которые описывают процесс изменения структуры материала под воздействием различных факторов. Эта теория поможет пояснить, к примеру, как будет вести себя перенасыщенная жидкость или новые материалы при переохлаждении или отсутствии атмосферного давления.
Работа по математическому моделированию ведется не один год — у исследователей этой научной группы выходят монографии и статьи в международных журналах первого и второго квартиля, индексируемых в базах данных Scopus. Так, монография Thermo-solutal growth of a dendritic crystal in the form of an elliptical paraboloid with forced convection будет опубликована в Journal of Crystal Growth в феврале 2020 года.
Модели можно применить в самых разных областях прикладных наук: биофизике, медицине, материаловедении, инженерии и других. Один из вариантов практического применения — вычисление того, как изменится белок или инсулин в космосе; как он будет кристаллизоваться без гравитации.
«Математические задачи в нашем проекте описывают реальные технологические и природные процессы фазовых переходов. Результаты исследований будут полезны как для наноиндустрии России, так и для разработки материалов с новыми свойствами», — поясняет руководитель проекта и лаборатории Дмитрий Александров, УрФУ.
На данном этапе ученые планируют развивать модель дендритного роста. Это процесс, при котором в метастабильной жидкости растут, грубо говоря, кристаллы, и вещество таким образом затвердевает.
«Когда раствор или расплав находится в пересыщенном или переохлажденном состоянии, и на него воздействует какой-то „возмутитель“, начинает расти твердое вещество в виде характерных структур — дендритных образований. Это типичное для природы явление: замерзание льдов в водоемах, ледяных кристаллов в атмосфере, лавы в лавовых озерах, магмы в жидком ядре Земли. Паттерны, состоящие из дендритов, формируют также структуру мерзлых грунтов. Модель применима и к технологическим процессам: получение необходимых свойств металлов, полупроводников, диэлектриков», — поясняет Александров.
Понимание, каким образом кристаллизуется, а затем и затвердевает вещество нужно для того, чтобы управлять этим процессом. Моделирование позволяет выяснить, как можно оптимизировать технологии и получать материалы с заданными свойствами, например, определенной твердости, вязкости, прочности.
«Мы формулируем математическую модель в общем виде и анализируем ее. Затем, чтобы рассчитать свойства и переходы под конкретную задачу, подставляем параметры материала с определенными физическими характеристиками. Это могут быть медь, железо, алюминий, сплавы, медицинские препараты и другие материалы, претерпевающие фазовые переходы в метастабильном и неравновесном состояниях», — рассказывает младший научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования Илья Стародумов.
Над исследованием работает группа ученых, в которую вошли и студенты, и аспиранты. Проект «Многомасштабное математическое моделирование структурообразования из метастабильного и неравновесного состояний в жидкостях и твердых телах» выиграл конкурс лучших проектов фундаментальных научных исследований Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и образовательного фонда «Талант и успех» (19-32-51009). Фонды поддержат исследование до 2021 года.
«Этот конкурс РФФИ совместно с фондом „Талант и успех“ проводят впервые. Насколько я понимаю, он направлен на то, чтобы у научного руководителя, имеющего существенный опыт, была возможность, во-первых, собрать молодой коллектив вокруг конкретной задачи и, во-вторых, стать наставником и передать коллективу научные знания, — поясняет Стародумов. — Проект также предполагает, что часть работы мы будем проводить в научно-техническом университете „Сириус“».
Одна из последних монографий ученых по данной тематике — Phase-Field Crystals. Fast Interface Dynamics — вышла в 2019 году.
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице летней Универсиады-2023. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».