В новом проекте опишут взаимодействие газоразрядной плазмы и жидкости
Старший преподаватель кафедры общей физики КНИТУ-КАИ Алия Сайфутдинова вошла в число победителей грантового регионального конкурса Российского научного фонда (РНФ) на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами. Итоги конкурса на финансирование исследований в 2025-2026 гг. подвели в марте этого года.
Работа Алии Сайфутдиновой «Исследования и разработка комплексных моделей газовых разрядов с жидкофазными электродами с целью создания и оптимизации плазменных устройств c заданными свойствами» была заявлена в развитие предыдущих проектов в этой области, завершенных автором.
Отметим, что плазменные приборы и устройства - это оборудование, основанное на использовании плазмы, которая представляет собой квазинейтральный ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц - электронов и ионов. Основные типы плазменных устройств включают плазмотроны для расплавления, сварки, резки металла и обработки поверхностей в строительстве, металлургии, машиностроении и нанотехнологиях, плазменные резаки для точной и быстрой резки металлов в машиностроении, судостроении и производстве рекламных конструкций, плазмотроны с «холодной» плазмой для обработки биомедицинских изделий, а также живых биологических тканей, анализаторы для определения состава вещества, трастеры – плазменные двигатели малой тяги для космических спутников, плазмохимические реакторы для управляемого синтеза различных типов наноструктур, в том числе наноалмазов и многое, многое другое.
Это второй грантовый проект РНФ, в котором Алия Сайфутдинова является руководителем. «В прошлом году был успешно завершен проект, посвященный высокочастотным (ВЧ) и сверхвысокочастотным (СВЧ) разрядам, - уточняет Алия Сайфутдинова. - Кроме того, будучи аспирантом, я руководила двумя грантами Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). Фактически грантовая поддержка во многом позволила нам наработать опыт в моделировании газовых разрядов».
Дело в том, что Алия Сайфутдинова занимается моделированием газовых разрядов с 2017 года. «Эта тема интересна, поскольку она с одной стороны глубже позволяет понять процессы в сильно неравновесных системах, а с другой предсказывать параметры плазмы и управлять ими, тем самым подбирая оптимальные для реальных плазменных приборов и устройств, - поясняет Алия Сайфутдинова. - На нашей кафедре общей физики уже накоплен богатый опыт моделирования различных типов разрядов от тлеющего и дугового до высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядов. Одними из неисследованных остались разряды в контакте с жидкостью, будь то электролитной или диэлектрической. Во многом это связано с трудностью описания процессов, протекающих на границе двух фаз «газоразрядная плазма – жидкость». Именно на решение этой проблемы направлен наш новый проект».
У группы исследователей из четырех человек, включая аспиранта и двух магистрантов, уже имеется опыт в самосогласованном учете процессов на границе «твердое тело – газоразрядная плазма», в том числе процессов распыления и испарения твердой фазы в разрядный промежуток. Именно этот опыт планируется использовать в новом проекте. Предполагается рассмотреть два объекта: разряды с жидкофазными (электролитными) электродами и разряды, генерируемые в пузырьке диэлектрической жидкости. Планируется детально исследовать процессы на границе раздела фаз и учесть плазмохимические процессы с участием испаренной жидкости в разрядный промежуток. Перспективность заключается в широком спектре применения, в том числе обработке и модификации поверхностей, синтезе наноструктур, обработке органических объектов, в том числе и биологических тканей, в экологических задачах.
Научная новизна проекта заключается в разработке единой модели, описывающей взаимодействие плазмы и жидкости, разработке и реализации программного комплекса для моделирования таких разрядов и фактически создании удобного инструмента для прогнозирования характеристик плазмы и поиска оптимальных параметров в реальных плазменных установках, в которых рабочей средой является газовый разряд, контактирующий с жидкостью.
«Мы надеемся, что наши модели станут основополагающими и получат в дальнейшем развитие не только у нас, но и в других научных группах, - отмечает Алия Сайфутдинова. - Нами будут разработаны новые и адаптированы уже существующие программные комплексы, реализующие различные модели газовых разрядов».
На сегодняшний день коммерческие пакеты программ не всегда позволяют учесть весь спектр физических и химических процессов, протекающих на границе раздела фаз, более того, многие коммерческие пакеты ушли с российского рынка и недоступны, то есть фактически ниша в этой области полностью свободна. К тому же, сформулированные модели и численные расчеты позволят прогнозировать и управлять параметрами плазмы в реальных установках, тем самым подбирая оптимальные параметры и повышая их эффективность. Полученные результаты будут интересны специалистам, работающим в области газоразрядной плазмы. Это всевозможные академические институты, университеты, НИИ, промышленные предприятия, в том числе ООО «Ферри-Ватт», ЗАО «Светлана-Рост», АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», АО «Микрон», ГК «Росатом» и другие.
Главной сложностью проекта является необходимость учета большого спектра процессов на границе «газоразрядная плазма – жидкость». Наиболее сложные из них заключаются в следующем. Во-первых, при испарении жидкого электрода могут происходить реакции в приэлектродной области с образованием большого числа различных соединений, которые будут определять транспорт электронов в этой области. И для правильного описания необходимо знать не только состав среды, но и сечения элементарных процессов для каждой компоненты. Во-вторых, при вычислении распределения электрического поля в жидкости могут возникнуть вычислительные трудности, вызванные высокой электропроводностью электролита, что приведет к образованию очень тонкого (на уровне 1-10 нм) двойного электрического слоя. «Кроме того, межфазная граница будет деформироваться во времени и это тоже необходимо учитывать, - уточняет Алия Сайфутдинова. - Безусловно необходимо учитывать еще множество других процессов, приводящих к самоорганизации плазмы (рисунок) однако у нас есть задел, и мы готовы реализовать все поставленные задачи».
В области исследований разрядов, контактирующих с жидкими средами, работает несколько исследовательских групп в России. Алия Сайфутдинова называет коллег из КНИТУ-КАИ и из Набережночелнинского филиала КФУ, ученых из Иваново и Санкт-Петербурга, научную группу Юрия Лебедева (Институт нефтехимического синтеза им. Топчиева). «На мой взгляд, они наиболее сильно продвинулись в фундаментальных исследованиях и разработке моделей, контактирующих с жидкими средами, - констатирует Алия Сайфутдинова. - Стоит отметить и зарубежные научные группы, в частности, Питера Бруггемана (США), Марка Кушнера (США), Aннеми Богаерц (Бельгия)».
По мнению Алии Сайфутдиновой, ее проект отличается от исследований других ученых уникальным подходом к моделированию – едином рассмотрении процессов, протекающих в разрядном промежутке и в жидкости, валидации численных расчетов с собственными и существующими в литературе экспериментальными данными, а также разработке программного комплекса для моделирования таких разрядов, что позволит получить прогностический конкурентоспособный инструмент для создания и оптимизации плазменных устройств c заданными свойствами.