Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Капельный кластер рассматривается авторами проекта, прежде всего, как уникальный инструмент для исследования сложных микробиологических и физико-химических процессов в отдельных микрокаплях аэрозоля. Практическая реализация этой идеи во многом определяется техническими возможностями экспериментальной установки. В частности, требуются долговременная стабилизация кластера, а также непрерывная и достаточно точная диагностика процессов, происходящих в объеме отдельных капель. Малый размер капель (характерный диаметр – десятки микрометров) и их чувствительность к небольшим внешним возмущениям предъявляют высокие требования к методам управления кластером. Впервые удалось обнаружить своего рода фазовый переход второго рода, при котором обычная гексагональная структура кластера изменялась на существенно иную, «цепочную» структуру с появлением линейных и ветвящихся групп прилегающих друг к другу капель. Это происходит, когда капли в центральной части кластера увеличиваются до определенного критического размера. Структурный переход в кластере качественно объясняется высокой плотностью тока пара при сужении пространства между растущими крупными каплями. Цепочная структура оказывает меньшее интегральное сопротивление протеканию пара в пространстве между каплями кластера и позволяет сохранить равновесие капельного кластера. Как и следовало ожидать, описанное изменение структуры кластера является обратимым. В частности, при нагреве инфракрасным излучением, когда размер капель уменьшается, цепочки капель распадаются и гексагональная структура капельного кластера восстанавливается. Впервые был подробно изучен эффект «дрожания» капель кластера, обусловленный нестационарным полем течения газа. Оказалось, что малые кластеры (из небольшого количества капель) совершают колебания почти как единое целое. При более детальном рассмотрении стало понятно, что синхронизация траекторий капель обеспечивается не жесткостью межкапельных связей, а внешними волновыми воздействиями с характерным масштабом, значительно превышающим размер капли. Выполненный Фурье-анализ показал, что в спектре колебаний, вне зависимости от количества капель (от одной до четырех), присутствуют следующие собственные частоты: 1.61, 1.99, 2.52, 3.28, 4.15 и 5.96 Гц. На основании этого набора частот был проведен расчет условной потенциальной ямы, параметры которой оказалась весьма близкими к значениям, полученным при моделировании структуры малых капельных кластеров. Анализ экспериментальных данных по осцилляциям кластера способствовал развитию представлений о наличии сложных нестационарных процессов, в том числе, и в газовом потоке. Большое внимание уделялось изучению влияния на кластер внешнего электрического поля с максимальной напряженностью порядка десятков кВ/м. Был описан принципиально иной механизм коалесценции капель кластера, в котором основную роль играет поляризация капель и слоя под ними. Обнаружен эффект существенного ускорения конденсационного роста капель, а также измерен их электрический заряд. В условиях эксперимента в процессе роста капли заряжались отрицательно до уровня порядка нескольких сотен элементарных зарядов. Оценки показали, что в кластере кулоновские силы на много порядков меньше аэродинамических и их вклад в механизмы левитации капель и структуризации кластера пренебрежимо мал. Методом флуоресцентной микроскопии впервые были получены изображения микроводрослей и бактерий в управляемо левитирующих микрокаплях воды. Вместе с микроорганизмами в капли вводились специальные красители, позволяющие по цвету флуоресцентного свечения регистрировать in situ такой важный процесс, как нарушение целостности клеточной оболочки микроорганизма. Символично, что первая статья с описанием этих новых результатов вышла в очень престижном, старейшем в мире (издаваемом с марта 1665 г.) естественно-научном журнале Philosophical Transactions of the Royal Society.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Работа по проекту ориентирована на решение основной практически важной задачи, состоящей в использовании капельного кластера для исследований физико-химических и биологических процессов в отдельных микрокаплях кластера. Ввиду отсутствия готовых технических решений, значительные усилия были сосредоточены на совершенствовании лабораторной установки и ее программного обеспечения. Вместе с тем, продолжались исследования физических процессов, сопровождающих формирование и трансформацию кластера. Новые лабораторные исследования позволили обнаружить ряд не известных ранее эффектов. В связи с особой важностью воздушного распространения вирусов, специальное внимание было уделено расчетно-теоретическому анализу влияния температуры и влажности воздуха, как основных сезонных факторов, на перенос вирусов и других патогенов в испаряющихся каплях. Опыт лабораторных исследований позволил разработать новую установку, лучше приспособленную для проведения больших серий экспериментов с микрокаплями, содержащими растворы солей, поверхностно-активных веществ, а также различных органических веществ, представляющих интерес, в частности, для изучения переноса и химических превращений экологически опасных компонентов в атмосфере. Новая конструкция позволяет легко заменять загрязнённую кювету для продолжения экспериментов с сохранением необходимых настроек систем измерения. Модифицированная установка позволяет также проводить исследования в герметичной измерительной ячейке, что исключает проникновение микрочастиц из лабораторного воздуха. Такие частицы могут оказаться нежелательными ядрами конденсации и тем самым вносить неконтролируемые возмущения в работу новой методики «печати» капельных кластеров (под «печатью» понимается инжектирование капель заданного размера, с известной концентрацией растворенных веществ и/или содержанием микрочастиц). В настоящее время новая установка находится на стадии сборочно-отладочных работ. За отчетный год были существенно расширены возможности комплекса специально разработанных компьютерных программ, которые решают такие задачи, как автоматизированный контроль рабочих параметров и стабилизация условий эксперимента, а также автоматический анализ изображений как отдельных капель, так и всего кластера. Новые возможности современной флуоресцентной микроскопии стимулировали поиск новых алгоритмов идентификации не только капель, но и содержащихся в них светящихся микрочастиц, которыми могут быть всевозможные микроорганизмы. В частности, интерпретация получаемого распределения яркости микрокапли с растворенным флуоресцентным красителем требует решения, вообще говоря, некорректной обратной задачи переноса излучения. Решение этой непростой математической задачи с использованием возможной регуляризации и/или априорной информации является одним из направлений дальнейшей работы по проекту. В отчетном году было продолжено экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование поведения капельного кластера во внешнем электрическом поле при различной конфигурации электродов. Уточнены ранее полученные данные по величине собственного электрического заряда капель кластера. Предложена физическая модель коалесценции капель со слоем воды, получена оценка относительного вклада аэродинамических и электрических сил, действующих на капли кластера во внешнем электрическом поле. Проанализирована роль поляризационных эффектов при электростатической коагуляция капель в дождевых облаках. Впервые проведено систематическое исследование влияния концентрации поверхностно-активного вещества (ПАВ) в локально нагреваемом слое воды на основные параметры капельного кластера. На примере лауретсульфата натрия экспериментально установлено, что микропримеси ПАВ в широком диапазоне концентраций подавляют термокапиллярное течение в слое воды, но не оказывают существенного влияния на конденсационный рост капель и структуру кластера. Эта важная особенность делает возможным применение водных растворов ПАВ в экспериментах с капельным кластером, когда требуется максимально точный контроль параметров среды. При пороговых концентрациях ПАВ авторы впервые наблюдали необычное явление «кольцевого кластера», представляющего собой цепочку капель в виде дуги или замкнутого кольца, опоясывающего локальную область тороидального термокапиллярного вихря. Впервые были проведены эксперименты по длительному воздействию внешнего инфракрасного излучения на капельный кластер. Показано, что в результате такого инфракрасного нагрева может быть получен стабильный равновесный кластер из одинаковых капель. Капли, диаметр которых первоначально был больше равновесного, уменьшаются, тогда как небольшие капли (меньше равновесных) увеличиваются. Равновесный капельный кластер может существовать неограниченно долго, что принципиально важно для дальнейших лабораторных исследований. Многие патогенные микроорганизмы и вирусы распространяются по воздуху в микрокаплях воды. При этом, вероятность заражения сильно зависит от того насколько быстро эти капли испаряются в окружающем воздухе. Авторами проекта была предложена расчетно-теоретическая модель, учитывающая как кинетику испарения капель, так и перемещение капель под действием силы тяжести. Проведенные расчеты показали, что время нахождения капли в воздухе на опасной для человека высоте зависит не только от температуры окружающего воздуха, но также (и в большей степени) от относительной влажности воздуха. Низкая температура и высокая влажность воздуха замедляют испарение капель, что способствует распространению инфекций. Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными исследованиями в лабораторных условиях, а также с известной сезонной периодичностью, главным образом, респираторных вирусных инфекций. Очевидно также, что использование индивидуальных средств защиты в течение опасного «эпидемического» сезона на открытом воздухе (особенно, в крупных населенных пунктах) является совершенно необходимым даже в случае соблюдения социальной дистанции между людьми. Эта важная (и, к сожалению, не всеми понимаемая) рекомендация содержится в недавней публикации по проекту.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Работа по проекту ориентирована на решение важной практической задачи, состоящей в использовании капельного кластера в уникальных методиках исследования физико-химических и биологических процессов в микрокаплях водного аэрозоля. Ввиду отсутствия готовых технических решений, значительные усилия были направлены на радикальное усовершенствование лабораторной установки с применением нового метода генерации капель кластера, современных оптических измерений, а также компьютерной обработки всех результатов измерений. Создана лабораторная установка для химических и микробиологических исследований процессов в левитирующих каплях воды. Новая установка позволила значительно повысить точность контроля и поддержания условий эксперимента, минимизировать влияние таких внешних факторов, как температура и влажность воздуха в лаборатории, а также исключить проникновения в кластер капель, сформировавшихся на случайных ядрах конденсации. Продолжены экспериментальные и теоретические исследования капельного кластера как явления, а также сложных физических процессов, сопровождающих формирование и эволюцию этой диссипативной структуры. В результате были обнаружены неизвестные ранее эффекты и предложен принципиально новый метод стабилизации кластера без каких-либо внешних воздействий. Впервые получен кластер необычной структуры, принципиально отличающейся от изученных ранее: классической гексагональной структуры, малых кластеров с разнообразными устойчивых модификациями, а также кольцевого и цепочного кластеров. Кластер нового типа имеет иерархическую структуру. В центральной части иерархического кластера находятся группы из соприкасающихся капель, слиянию которых препятствует субмикронная газовая прослойка. Эти группы капель неустойчивы и непрерывно перестраиваются. При этом на периферии иерархического кластера сохраняется неизменная гексагональная структура. В отличие от других типов кластеров, которые формируются под действием аэродинамических сил, в иерархическом кластере образование центральных групп капель объясняется электростатическим взаимодействием заряженных капель. Скоростная видеосъемка и автоматизированные измерения высокой точности впервые показали, что даже во внешне стабильных кластерах капли непрерывно колеблются не только в горизонтальном, но и в вертикальном направлении. Фурье-анализ результатов измерений выявил две воспроизводимые частоты колебаний в районе 50 Гц. Частота вертикальных колебаний кластера оказалась на порядок выше, а их амплитуда существенно меньше, чем у горизонтальных колебаний. Показано, что распределение энергии колебаний капель по степеням свободы близко к равномерному. Продолжена работа над теоретической моделью наблюдаемого в экспериментах флуоресцентного свечения капли. Цель этого расчетно-теоретического исследования – определение распределения полупрозрачной примеси в капле воды путем решения обратной задачи переноса излучения. На данном этапе построены алгоритмы, позволяющие рассчитать поглощение индуцирующего флуоресценцию излучения по объему капли. Имея в виду возможное использование приближения геометрической оптики, приближенное решение сравнивается с точным расчетом по теории Ми. Предстоящая работа состоит в расчете свечения капли и построении алгоритма идентификации распределения примеси в объеме капли. Впервые проведены эксперименты с длительным воздействием внешнего инфракрасного излучения на капельный кластер над слоем пресной или слабосоленой воды (с массовой концентрацией NaCl менее 0.2 %). Показано, что инфракрасное облучение формирует равновесный кластер из одинаковых капель, который может существовать неограниченно долго. При прочих равных условиях, увеличение концентрации соли в растворе уменьшает равновесный размер капель. Такой простой способ контроля кластера очень удобен для многих лабораторных исследований. Впервые обнаружен эффект самопроизвольной стабилизации капельного кластера над слоем воды с концентрацией соли более 0.3 %. Изменяя интенсивность нагрева воды и концентрацию раствора соли можно получать стабильные кластеры из капель заданного размера без каких-либо внешних воздействий. Этот результат исключительно важен для предстоящих химических и биохимических исследований в капельных микрореакторах. Создаваемый автоматизированный лабораторный комплекс позволяет использовать современные оптические методы (такие как флуоресцентная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния и гиперспектральная микроскопия) для изучения химических и микробиологических процессов в отдельных каплях кластера. Новые экспериментальные возможности крайне важны для актуальных исследований, связанных, в частности, с воздушно-капельным распространением инфекций и опасным загрязнением атмосферы. В 2021 г. по результатам экспериментальных и теоретических исследований опубликованы три статьи в ведущих международных журналах и одна статья принята в печать. Из них 2 статьи – в журналах категории Q1. Доклад, представленный на 8th European Thermal Sciences Conference (EUROTHERM 2021), признан одним из лучших и был рекомендован к публикации в специальном выпуске журнала «Heat and Mass Transfer» (Springer), который выйдет в 2022 г. https://scientificrussia.ru/articles/ucenye-nasli-novyj-mehanizm-formirovania-kapelnogo-klastera https://xn--80afdrjqf7b.xn--p1ai/news/10802/ https://news.utmn.ru/news/nauka-i-innovatsii/1094448/ https://news.utmn.ru/news/nauka-i-innovatsii/1053503/