Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения первого этапа проекта коллективом исполнителей был решен широкий круг экспериментально-теоретических работ. Согласно поставленным экспериментальным задачам была выполнена оптимизация и отладка экспериментальной установки. Cформулированы рекомендации к созданию экспериментальных ячеек, обеспечивающих максимальную степень однородности создаваемого поля. Выявлены оптимальные режимы работы экспериментальной установки. Отлажена методика постановки систематических воспроизводимых экспериментов с двумерными коллоидными системами, находящимися во внешних вращающихся полях. Реализован, отлажен и совмещен с экспериментальной установкой программный код пост-обработки экспериментальных данных в реальном времени. В частности, на основе разработанного алгоритма, созданный программный код позволил выполнять оценку положения экспериментально-наблюдаемой бинодали "газ-конденсат" в режиме реального времени. Построены предварительные экспериментальные фазовые диаграммы в области газ-конденсированное состояние для двумерной системы "диоксид кремния – вода", находящейся во внешнем вращающемся поле. Начата серия экспериментальных работ, направленных на непосредственное измерение парного межчастичного потенциала взаимодействия коллоидных частиц в экспериментальной установки при разных значениях вольтажа на электродах. В рамках теоретических исследований разработана теоретическая модель парного межчастичного потенциала взаимодействия коллоидных частиц, находящихся во внешнем вращающемся электрическом поле. Получены простые аналитические выражения для парного потенциала. Проведена серия расчетов методом молекулярной динамики и Монте Карло, в результате которой были построены фазовые диаграммы двумерных коллоидных систем во внешнем вращающемся поле. Рассчитаны линии спинодали в области жидкость-газ на основе решения уравнения Орнштейна-Цернике с замыкающим соотношением Перкуса-Йевика. Реализован программный код для расчета эффектов локального поля в коллоидной суспензии, находящейся во внешнем электрическом поле. Выполнен оценочный расчет эффектов ренормировки локального поля в зависимости от плотности двумерной коллоидной суспензии. Проведен цикл дополняющих исследований, направленных на установление новых закономерностей связи между динамикой, термодинамикой, фазовыми состояниям и парными корреляциями в системах с управляемым взаимодействием между частицами. Изучено распространение фронта неравновесного плавления в системах с регулируемым нарушением третьего закона Ньютона, что реализуется в комплексной (пылевой) плазме. Показана прямая аналогия этого явления с горением твердых тел. Получены простые соотношения, аппроксимирующие свободную энергию двумерных систем с дипольным отталкиванием в широком диапазоне параметров. Изучены системы с двухмасштабным отталкивающим потенциалом (core-softened interaction), и предложена простая модель, объясняющая механизм формирования квазикристаллов HD12 при переходе из квадратной в гексагональную решетку. Исследовано влияние энтропийного и энтальпийного ангармонизма на теплоемкость двумерных и трехмерных кристаллов. В результате выполнения задач первого этапа проекта были опубликованы 3 работы в ведущих зарубежных журналах, индексируемых в Web of Science и относящихся к первому квартилю (Q1), а еще 3 работы поданы и находятся на рассмотрении. Полученные результаты были представлены на нескольких международных конференциях. Коллектив исполнителей уделил отдельное внимание задаче популяризации полученных результатов среди студентов младших курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана и на других площадках.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе выполнения второго этапа проекта коллективом исполнителей был решен широкий круг экспериментально-теоретических работ. 1. В результате технического дооснащения экспериментальной установки, успешно проведена интеграция предварительной пост-обработки результатов со станцией управления экспериментом в режиме реального времени. Подготовлен эксперимент с лазерным разогревом локальных областей коллоидной суспензии и исследованием коллоидных кристаллов термочувствительных частиц (pNIPA). 2. Получены экспериментальная и теоретическая фазовая диаграмма для суспензий коллоидных частиц (2,12 мкм, диоксид кремния, PMMA) в водном сольвенте. Показано, что фазовые диаграммы содержат домены газа, жидкости, кристалла и сверхкритического флюида, демонстрируя универсальность поведения в окрестности критической точки для различной жесткости ближнего отталкивания. 3. Проведены экспериментальные исследования потенциала парного взаимодействия взаимодействия частиц в разряженных коллоидных суспензиях в слабых внешних полях (до спинодального распада). Проведено более 500 экспериментов и показано отличное согласие экспериментально-измеренных профилей потенциала с теоретическими. 4. Исследована дислокационная динамика в коллоидных кристаллах в широком диапазоне амплитуды внешнего электрического поля. Обнаружено, что в зависимости от размера кристаллита, реализуется сценарий поверхностного плавления (малый кластер), либо плавление протекает путем рождения дислокационных пар вдали от поверхности. Анализ динамики дислокаций показал, что частицы с семью соседями проявляют большую подвижность, чем частицы, окруженные пятью соседями. 5. Экспериментально и теоретически изучена активационная роль дефектов в неравновесном плавлении (аналог экзотермических реакций) на примере кристаллов комплексной (пылевой) плазмы. Обнаружено, что крупные (дефектные) частицы демонстрируют двухстадийную тепловую динамику, характерную для химических реакций с предравновесием. Впервые показано, что распространение фронтов пламен может управляться путем неоднородного распределения дефектов. Результаты важны для различных областей, от физической химии, химической физики и топливных материалов до термохимии и материаловедения. 6. Экспериментально и теоретически исследована динамика самосборки микрочастиц, а также кинетика нуклеации в процессе спинодального распада, индуцированного внешним электрическим полем. Найдены временные зависимости числа конденсированных кластеров и их размеров в различных экспериментах, выполнено систематическое моделирование методом молекулярной динамики для систем частиц, взаимодействующих посредством обобщенного потенциала Леннарда-Джонса (с различным индексом степени в ветви притяжения). Установлено, что характерный размер конденсированных капель в процессе нуклеации наиболее быстро растет в случае систем с взаимодействиями, близкими к потенциалу Леннарда-Джонса. 7. Парные и многочастичные взаимодействия между частицами в конически-вращающихся полях рассчитаны при помощи различных методов, включая метод независимых, самосогласованных диполей, а также метод граничного элемента. Впервые детально проанализирована точность разных методов. Обнаружено, что парное и трех-частичное взаимодействие дает основной вклад в энергию взаимодействия. Показано, что регулируемые взаимодействия могут изменяться в широком диапазоне, обеспечивая богатое разнообразие экспериментально-конструируемых взаимодействий, включая отталкивание, притяжение, сочетание короткодействующего отталкивания с дальнодействующим притяжением, взаимодействиями барьерного типа (с ближним притяжением и дальним отталкиванием), а также и двойным отталкивающим взаимодействием. Результаты показывают, что регулируемые взаимодействия могут широко применяться в самосборке и кинетически-разрешенных исследованиях общих явлений в жидкостях и кристаллах и, следовательно, представляют большой интерес в областях химической физики, физической химии, материаловедения и мягкой материи. 8. Исследованы фазовые диаграммы 2D систем коллоидных частиц, взаимодействующих посредством изотропного потенциала с короткодействующим отталкиванием Юкавы и дальнодействующим дипольным притяжением. Используя компьютерное моделирование и уравнение Орнштайне-Цернике, мы рассчитали фазовую диаграмму, которая содержит газовые, кристаллические, жидкие и сверхкритические флюидные фазы. Плотности в критической и тройной точках фазовой диаграммы определяются мягкостью отталкивания Юкавы и поэтому могут регулироваться в условиях эксперимента. Было обнаружено, что бинодали жидкость-газ демонстрируют универсальное поведение, когда эффективная температура (заданная обратной величиной дипольного притяжения) нормируется значением в критической точке, а плотность нормируется квадратом диаметра Баркера-Хендерсона. 9. Впервые обнаружена термоакустическая неустойчивость в жидкой комплексной плазме. Эксперименты, теория и моделирование показали, что невзаимное эффективное взаимодействие между частицами (опосредуемое плазменными потоками) обеспечивает положительную тепловую обратную связь, ведущую к усилению акустических волн. Результаты открывают физическую аналогию между коллективной флуктуационной динамикой в реактивных средах и системами с невзаимными эффективными взаимодействиями, подверженными тепловой активации. 10. Впервые теоретически обнаружена возможность реализации динамической бистабильности и диссипативного спинодального распада в широком классе систем с невзаимными эффективными взаимодействиями. Выведен критерий, при котором система с невзаимными силами может быть строго приведена к псевдогамильтоновой системе с детальным динамическим равновесием. Однако в общем случае, когда этот критерий не выполняется, показано, что установившееся состояние определяется конкуренцией между диссипацией и выделением энергии из-за невзаимности взаимодействий. Диссипативный спинодальный распад в системах с невзаимными силами взаимодействия обнаружен впервые и может происходить в различных диссипативных системах, включая квантовые жидкости, открытые атомные многочастичные системы, нейросети и мульти-агентные системы, диссипативные фотонные системы, активную мягкую материю (суспензии и эмульсии) и комплексные плазмы. 11. Исследована коллективная динамика в системах частиц Юкавы, квазикристаллический подход развит для описания поперечных (сдвиговых) волн в сильно связанных жидкостях частиц Юкавы с учетом длинноволновой неустойчивости поперечных мод. Показано, что теоретические дисперсионные кривые хорошо согласуются с данными молекулярно-динамических расчетов, а также экспериментальными данными о поперечных возбуждениях в жидких металлах, полученными с использование неупругого рассеяния нейтронов. В результате выполнения задач 2018 года опубликованы 7 статей в ведущих зарубежных журналах, индексируемых в Web of Science и относящихся к первому квартилю (Q1), а еще 3 работы поданы и находятся на рассмотрении. Полученные результаты были представлены в 28 докладах на международных конференциях, симпозиумах и семинарах. Коллектив исполнителей уделил отдельное внимание задаче популяризации полученных результатов среди студентов младших курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана и на других площадках, а также развитию международного сотрудничества с ведущими научными группами в области проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Проведены экспериментальные и теоретические исследования индуцированного локальным разогревом плавления в коллоидных кристаллах. Были использованы термочувствительные коллоидные сферы из микрогеля N-изопропилакриламида (NIPA). Обнаружено отчетливое формирование фронта плавления и разработана теоретическая модель, согласно которой параметр нерегулярности играет роль, аналогичную температуре в обычных кристаллах и кристаллах комплексной пылевой плазмы. Эксперименты были дополнены симуляциями методом молекулярной динамики (МД). Сравнение результатов экспериментов, численных расчетов и теоретических исследований показало, что разработанная модель отлично описывает распространение фронта плавления. 2. Экспериментально исследована управляемая самосборка коллоидных частиц в кристаллические пленки и изучена эволюция доменов в условиях различного притяжения между частицами. Обнаружено, что при помощи вращающегося электрического поля можно управлять размером доменов в коллоидных кристаллах, а скорость рекристаллизации демонстрирует немонотонную зависимость от амплитуды регулируемого притяжения. 3. Экспериментально исследованы парные корреляции в коллоидных и плазменных кристаллах, проведено сравнение с теоретическими исследованиями для формы корреляционных пиков. В 2014-2018 гг. в был разработан интерполяционный метод (IM) [The Journal of Chemical Physics 143, 034506 (2015); J Phys: Cond Matt 28, 235401 (2016); Soft Matter 14, 2152-2162 (2018)], который позволяет точно описать форму парных корреляционных пиков на близких и дальних расстояниях. IM был разработан теоретически, но еще никогда не проверялся экспериментально. В 2019 году была впервые поставлена серия экспериментов с 2D и 3D коллоидами и 2D плазменными кристаллами с целью точного измерения парных корреляционных функций в различных кристаллах. Было показано, что, благодаря высокой точности, IM можно использовать для экспериментального измерения параметров взаимодействия между частицами в этих системах. Впервые в рамках одного исследования использованы 3D и 2D коллоидные кристаллы и 2D плазменные кристаллы, чтобы исследовать применимость IM в системах с мягким отталкиванием и отталкиванием типа твердых сфер. Результаты достоверно доказывают, что IM может эффективно использоваться для анализа парных корреляций и взаимодействий в широком спектре физических систем и, следовательно, представляет большой интерес для физики конденсированной материи, комплексной плазмы, химической физики, физической химии, материаловедения и физики мягкой материи. Результаты были опубликованы в статье [The Journal of Chemical Physics 151, 114502 (2019)], которая вошла в "2019 The JCP Emerging Investigators Special Collection" – Специальную коллекцию статей The Journal of Chemical Physics под руководством молодых ученых, отобранных редакторами в знак признания превосходной работы. 4. Экспериментально исследовано плавление кристаллических кластеров различного размера. Установлено, что чем больше кластер, тем выше эффективная температура плавления. Это согласуется с результатами оценочных расчетов методом молекулярной динамики для кластеров частиц, взаимодействующих посредством отталкивания Дебая-Хюккеля + изотропное дипольное притяжение. Детально проанализирован рост числа дефектов в кластерах при их плавлении. Исследование дислокационной динамики в 2D кристаллических кластерах с управляемым межчастичным притяжением впервые показало, что функции распределения вероятностей времен оседлой жизни для кластеров разных размеров при различных значениях температур описываются степенной функцией, а насыщение кристалла дислокациями замедляет их прыжковую динамику и увеличивает среднее время их оседлой жизни. 5. Проведены пилотные экспериментальные исследования с разряженными суспензиями анизотропных частиц – микростержней во вращающемся электрическом поле. Установлено, что в изотропных вращающихся полях частицы равномерно вращаются в плоскости электродов, направление вращения совпадает с направлением вращения поля, скорость вращения зависит от частоты вращения поля – чем меньше частота вращения, тем ниже скорость вращения частиц. В анизотропных полях вращение частиц неравномерно, при вращении наблюдается задержка частиц в положении, соответствующем направлению главной оси анизотропии. 6. Исследовано взаимодействие продольных и поперечных возбуждений в жидкостях, в результате чего впервые обнаружено новое явление в физике жидкостей – антикроссинг продольный и поперечных возбуждений. Понимание спектров (продольных и поперечных) возбуждений в жидкостях имеет большое значение для разных областей физики, но долгое время оставалось неясно, насколько разные методы спектрального анализа согласуются друг с другом. В 2019 году мы показали, что эта проблема может быть решена с использованием модели двух осцилляторов для анализа спектров потоков скорости частиц, тогда как другие рассмотренные методы, включая анализ спектральных максимумов и одномодовый анализ, дают грубые результаты и становятся непригодными при высоких температурах и больших волновых числах. С использованием разработанного метода, было впервые обнаружено новое явление – антикроссинг продольных и поперечных возбуждений в простых жидкостях. 8. Разработан новый диаграммный метод для расчета регулируемых взаимодействий в коллоидах во внешних вращающихся электрических и магнитных полях. Проведены расчеты для регулируемых потенциалов взаимодействия и оценены параметры, при которых в перспективных экспериментах с коническими полями должны наблюдаться сложные кристаллы. Показано, что на основе диаграммного метода можно проиллюстрировать поляризацию и взаимодействия, а разные физические процессы могут быть представлены в виде различных диаграмм. Разные диаграммы (с соответствующими весовыми коэффициентами) можно использовать для интерполяции численных результатов, найденных методом граничного элемента. В итоге, был рассчитан многочастичный потенциал для проведения МД расчетов фазовой диаграммы и сравнения с экспериментами. Диаграммный метод для регулируемых взаимодействий разработан впервые, обеспечивает значительный прогресс в теоретических методах анализа взаимодействий в коллоидах и, следовательно, представляет большой интерес для физики конденсированного состояния, химической физики, физической химии, материаловедения и мягкой материи. Статья по итогам результатов вошла в "2019 The JCP Emerging Investigators Special Collection" –специальную коллекцию статей The Journal of Chemical Physics под руководством молодых ученых, отобранных редакторами в знак признания превосходной работы, а также отобрана редакторами как одна из лучших работ The Journal of Chemical Physics – "Featured Article". 9. Алгоритм распознавания конденсированных фаз при коллоидной самосборке, разработанный ранее для 2D систем, обобщен для 3D систем. Новые метод применим как для моделирования, так и для экспериментов с 3D коллоидными системами, когда рассматриваемые системы могут подвергаться спинодальному распаду. Представленные результаты актуальны для широкого круга проблем физической химии, химической физики, материаловедения и физики мягкой материи. В результате выполнения задач 2019 года опубликованы 9 статей в ведущих зарубежных журналах, индексируемых в Web of Science Core Collection и Scopus и относящихся к первому квартилю (Q1, scimagojr.com). Полученные результаты были представлены в 20 докладах и лекциях на международных и российских конференциях, симпозиумах и семинарах. Коллектив исполнителей уделил особое внимание популяризации полученных результатов среди студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана и на других площадках, а также развитию международного сотрудничества с ведущими научными группами в области проекта.