КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-19-01691

НазваниеСамосборка и фазовые превращения в двумерных коллоидных системах с межчастичным взаимодействием, управляемым внешним вращающимся электрическим полем

РуководительЮрченко Станислав Олегович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)", г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ 2020 - 2021 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (18)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые словаКоллоидные системы, управляемые взаимодействия, фазовые переходы, самосборка, фотонные кристаллы, водные растворы электролитов, молекулярная динамика

Код ГРНТИ29.19.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Создание технологий синтеза новых материалов с заданными свойствами на основе явления управляемой самоорганизации представляет собой актуальную задачу фундаментальных и прикладных исследований в современных науках о материалах, физике конденсированного состояния и физике мягкой материи. Настоящий проект направлен на фундаментальное исследование характера взаимодействий между коллоидными микрочастицами, явлений самосборки и фазовых превращений, возникающих в коллоидных суспензиях при их помещении в управляющее внешнее вращающееся электрическое поле. В рамках Проекта 2017 был проведен комплекс экспериментальных, теоретических и вычислительных исследований, разработаны новые экспериментальные методики, методы анализа данных для исследования процессов самосборки, самоорганизации и фазовых переходов в системах с регулируемым межчастичным взаимодействием. Проект 2020 базируется на научных результатах Проекта 2017, состоит с ним в научном единстве и методологически полностью соответствует ему. Ключевая идея Проекта 2020 – существенно развить наиболее важные (как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения) пункты, как (i) кинетика самосборки и поведение вблизи критической точки "жидкость-газ", (ii) детальный анализ рекристаллизации и ее связи с дислокационной динамикой и механизмами плавления коллоидных кристаллитов, (iii) управляемая манипуляция (в т.ч. вращение) анизотропными микрочастицами во внешних вращающихся полях. Масштаб решения предлагаемых научных задач характеризуется их широкой прикладной и фундаментальной значимостью. Перечисленные задачи являются актуальными, а их решение открывает новые перспективы для разработки новых технологий 3D печати (с использованием электрических полей), а также приложения в микрофлюидике. Этим определяется существенная научная значимость и масштаб Проекта 2020. Так, управляемая самоорганизация во вращающихся полях открывает новые перспективы для аддитивных технологий на базе новой гибридной 3D печати с использованием электрических, полей, потенциал которых велик, но пока не реализован сегодня. Это важно для создания самоорганизованных материалов для сенсорики, фотохимических приложений, фильтрации, печати мягких материалов (например, для мягкой робототехники), искусственных "сосудов" (коллоидные трубчатые структуры), адаптивных и искусственных биоморфных материалов. Манипуляции с вращением анизотропных частиц во внешних полях открывают новые механизмы для создания материалов с сильной перестройкой свойств, адресной доставки капсулированных веществ, а также фундаментальных исследований активной материи и роевого поведения микрочастиц с управляемой вращательной активностью (т.н. хиральные активные жидкости, chiral active fluids). Проблемы, изучаемые в настоящем гранте, носят междисциплинарный характер и будут интересны специалистам из различных областей наук о материалах, микрофлюидики, физической химии, химической физики, физики классического конденсированного состояния и физики мягкой материи.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты Проекта 2020: A1 Будет установлено, как именно зависит изотермическая сжимаемость и корреляционная длина в окрестности критической точки "жидкость-газ" коллоидной суспензии сферических частиц во вращающихся электрических полях. Ожидается, что сжимаемость и корреляционная длина расходятся по степенному закону, а значение критического индекса будет найдено экспериментально, что позволит напрямую проверить класс универсальности, к которому относятся системы с дальним притяжением. A2 В системах с дальним регулируемым притяжением будут впервые экспериментально измерены инкременты неустойчивости различных пространственных мод флуктуаций плотности при спинодальном распаде "жидкость-газ". Путем сравнения с динамическими формфакторами, найденными ранее в рамках различных моделей спинодального распада, мы впервые установим, какая из модель соответствует системам с дальним притяжением. A3 В результате экспериментального исследования, будет детально измерена скорость рекристаллизации в коллоидных поликристаллах при различных интенсивностях регулируемого притяжения в окрестности максимума. A4 В результате экспериментального исследования вращения пар и троек сферических частиц в разряженных суспензиях будет измерена скорость вращения (парных и тройных) кластеров в зависимости от напряженности и частоты вращения электрического поля. А5 Будет экспериментально установлена область параметров ("фазовая диаграмма"), соответствующая поступательной, поступательно-скачковой динамике вращения, а также (либрационным) осцилляциям ориентации анизотропных частиц вокруг выделенного направления эллиптического годографа вращения внешнего электрического поля. B1 Будет установлена роль многочастичности регулируемого взаимодействия (по сравнению с чисто парным) в процессе плавления кристаллических коллоидных кластеров различных размеров во вращающемся электрическом поле. B2 Будет установлена роль многочастичности регулируемого взаимодействия (по сравнению с чисто парным) в дислокационной динамике в кристаллических кластерах. B3 Будут рассчитаны (парные и трехчастичные) гидродинамические взаимодействия между вращающимися сферическими коллоидными частицами, а также скорости регулируемого вращения кластеров в условиях, соответствующих экспериментальным. В4 На основе МД моделирования рекристаллизации в монослойном коллоидном кристалле при различных интенсивностях регулируемого притяжения между частицами и сравнения с экспериментально-измеренными скоростями рекристаллизации будет установлен механизм, ответственный за ускорение и замедление рекристаллизации. B5 На основе моделирования вращения анизотропных частиц во внешних полях с анизотропным годографом будет установлена область параметров ("фазовая диаграмма"), соответствующая поступательной, поступательно-скачковой динамике вращения, а также (либрационным) осцилляциям ориентации частиц около выделенного направления (определенного внешним полем). Ожидаемые результаты соответствуют уровню ведущих мировых коллективов, работающих в области проекта, и обладают высоким уровнем научной новизны, связанной с постановкой, методами решения (экспериментальные установки, потенциал регулируемого взаимодействия в случае МД симуляций), а также ожидаемых результатов. Никогда раньше задачи, сформулированные в рамках Проекта 2020, не решались для случая коллоидных суспензий с регулируемым взаимодействием во вращающихся электрических полях. Масштаб решения предлагаемых научных задач характеризуется их широкой прикладной и фундаментальной значимостью. Перечисленные задачи являются актуальными, открывают новые перспективы для разработки новых технологий 3D печати (с использованием электрических полей), а также приложения в микрофлюидике. Этим определяется существенная научная значимость, масштаб Проекта 2020 и возможность использования результатов в экономике. Так, управляемая самоорганизация во вращающихся полях открывает новые перспективы для аддитивных технологий на базе новой гибридной 3D печати с использованием электрических, полей, потенциал которых велик, но пока не реализован сегодня. Это важно для создания самоорганизованных материалов для сенсорики, фотохимических приложений, фильтрации, печати мягких материалов (например, для мягкой робототехники), искусственных "сосудов" (коллоидные трубчатые структуры), адаптивных и искусственных биоморфных материалов. Манипуляции с вращением анизотропных частиц во внешних полях открывают новые механизмы для создания материалов с сильной перестройкой свойств, адресной доставки капсулированных веществ, а также фундаментальных исследований активной материи и роевого поведения микрочастиц с управляемой вращательной активностью (т.н. хиральные активные жидкости, chiral active fluids). Анализ современных исследований в области проекта показывает, что очень малое количество групп в мире одновременно обладает триадой ``эксперимент – теория – моделирование''. Поэтому программа исследований по проекту является уникальной (не только для России, но и для зарубежных групп), качество научных результатов будут соответствовать лучшим мировым стандартам, а в некоторых случаях – определять их.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1 Проведены эксперименты по изучению коллоидной системы в окрестности критической точки "жидкость-газ" во вращающихся электрических полях, что позволит напрямую проверить класс универсальности, к которому относятся системы с дальним притяжением. 2 Исследована кинетика спинодального распада "жидкость-газ" в суспензии сферических частиц. Проведена постобработка экспериментальных результатов, чтобы найти форм-факторы системы для поиска инкрементов неустойчивости различных пространственных мод флуктуаций плотности при спинодальном распаде "жидкость-газ". 3 Проведены экспериментальные работы, связанные с исследованием скорости рекристаллизации в коллоидных поликристаллах. В результате экспериментального исследования, измерена скорость рекристаллизации в коллоидных поликристаллах при различных интенсивностях регулируемого притяжения. 4 В рамках подготовки к экспериментальной программе в 2021 г. проведены пилотные эксперименты по исследованию динамики вращения анизотропных коллоидных частиц. 5 Установлена роль многочастичности регулируемого взаимодействия (по сравнению с чисто парным) в процессе плавления кристаллических коллоидных кластеров различных размеров во вращающемся электрическом поле. Показано, что размерный эффект в системах с многочастичным взаимодействием более выражен, чем в системах с парными межчастичными взаимодействиями, а модель, учитывающая многочастичность, наиболее точно характеризует экспериментальные наблюдения. 6 Установлена роль многочастичности регулируемого взаимодействия (по сравнению с чисто парным) в дислокационной динамике в кристаллических кластерах. Проведено моделирование методами молекулярной динамики процесса плавления в коллоидных кристаллах с многочастичными и парными взаимодействиями. Рассчитаны энергии дислокаций для полученных кристаллитов и установлено, что сценарий плавления в кристаллите зависит от его размера – поверхностное плавление характерно для малых кристаллитов, для больших – в случае эксперимента и модели с учетом многочастичности характерен переход от поверхностного плавления к объемному. 7 Рассчитаны парные и трехчастичные гидродинамические взаимодействия между вращающимися сферическими коллоидными частицами, а также скорости регулируемого вращения кластеров в условиях, соответствующих экспериментальным. Установлено, что в случае треугольного кластера вклад тройного взаимодействия составляет ~10%. 8 Впервые установлено, что в широком диапазоне параметров изохорная теплоемкость жидкостей зависит от ширины q-щели (где поперечные возбуждения неустойчивы) билинейным образом, в то время, как точка излома свидетельствует о смене спектра высокочастотных возбуждений с осциллирующего (как в кристаллах) на монотонный (как в газах) вид. 9 Впервые показано, что в системах частиц с невзаимными силами взаимодействия (диссипативные системы, активные коллоиды, комплексная плазма), за счет сложения эффектов плавления и тепловой активации (структурный и диссипативный фазовый переход) возможно качественно новое динамическое поведение. Переход порядок-беспорядок изменяет тепловое установившееся состояние системы так, что кристалл имеет тенденцию плавиться, тогда как жидкость имеет тенденцию замерзать, хаотически перескакивая между двумя состояниями. Такое же поведение должно наблюдаться в активных эмульсиях и коллоидах. Это коллективное хаотическое поведение идентифицировано как странные аттракторы, которые мы обнаружили впервые в области активной мягкой материи. 10 Впервые проведено прямое наблюдение явления антикроссинга продольных и поперечных возбуждений в жидкостях при помощи модельной жидкости Юкавы -- монослоя заряженных микрочастиц. Экспериментальное наблюдение полностью подтвердило результаты предыдущих теоретических исследований явления антикроссинга мод в простых жидкостях -- нового явления в области физики мягкой материи, обнаруженного в рамках настоящего Проекта. По итогам работы в 2020 году опубликованы 8 статей (4 статьи в Q1) в ведущих зарубежных журналах, включая Physical Review Letters, The Journal of Physical Chemistry, Physical Review E, Soft Matter. Исследования по проекту представлены в рамках пресс-релизов (представлены ниже), а также приглашенной лекции, прочитанной 17 ноября 2020 года в Российском научном фонде: Yurchenko S.O. Soft matter with tunable interactions between particles: The Laboratory for the physics of liquids, crystals, and materials of the future // XXVII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» г. Москва, 10-27 ноября 2020 г. https://rscf.ru/news/found/onlayn-lektoriy-rnf-lomonosov-2020/ https://www.youtube.com/watch?v=Rp4HWmzElKk&feature=youtu.be

 

Публикации

1. - How liquids take up heat? techexplorist.com, - (год публикации - ).

2. - Физики связали молекулярные «танцы» со свойствами жидкостей gazeta.ru, - (год публикации - ).

3. - Molecular ‘dances’ determine how liquids take up heat alphagalileo.org, - (год публикации - ).

4. - Molecular 'dances' determine how liquids take up heat phys.org, - (год публикации - ).

5. - Физики связали молекулярные «танцы» со свойствами жидкостей indicator.ru, - (год публикации - ).

6. - Физики научились контролировать взаимодействие микрочастиц в по-разному вращающихся электрических и магнитных полях indicator.ru, - (год публикации - ).

7. - Физики связали молекулярные «танцы» со свойствами жидкостей kommersant.ru / Коммерсантъ, - (год публикации - ).

8. - Физики связали молекулярные «танцы» со свойствами жидкостей poisknews.ru, - (год публикации - ).

9. - Ученые научились контролировать взаимодействие микрочастиц в по-разному вращающихся электрических и магнитных полях poisknews.ru, - (год публикации - ).

10. - Микрочастицами во вращающихся электрических и магнитных полях научились управлять nauka.tass.ru / ТАСС Наука, - (год публикации - ).

11. - Ученые исследовали взаимодействие микрочастиц во вращающихся электрических полях gazeta.ru, - (год публикации - ).

12. Комаров К.А., Юрченко С.О. Colloids in rotating electric and magnetic fields: Designing tunable interactions with spatial field hodographs Soft Matter, Том: 16. Выпуск: 35. Стр.: 8155-8168 (год публикации - 2020).

13. Крючков Н.П., Мистрюкова Л.А., Сапелкин А.В., Бражкин В.В., Юрченко С.О. Universal effect of excitation dispersion on the heat capacity and gapped states in fluids Physical review letters, Том: 125. Выпуск: 12. Номер статьи: 125501 (год публикации - 2020).

14. Крючков Н.П., Мистрюкова Л.А., Сапелкин А.В., Юрченко С.О. Strange attractors induced by melting in systems with nonreciprocal effective interactions Physical review E, Том: 101. Выпуск: 6. Номер статьи: 063205 (год публикации - 2020).

15. Яковлев Е.В., Крючков Н.П., Овчаров П.В., Сапелкин А.В., Бражкин В.В., Юрченко С.О. Direct experimental evidence of longitudinal and transverse mode hybridization and anticrossing in simple model fluids The journal of physical chemistry letters, Том: 11. Выпуск: 4. Стр.: 1370-1376 (год публикации - 2020).