Разработка методов управления свойствами упорядоченных микроструктурированных дисперсных систем и гелей с помощью внешних физических воздействий с учетом внутренних релаксационных процессов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 15-19-00177

НазваниеРазработка методов управления свойствами упорядоченных микроструктурированных дисперсных систем и гелей с помощью внешних физических воздействий с учетом внутренних релаксационных процессов

Руководитель Покусаев Борис Григорьевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский политехнический университет» , г Москва

Конкурс №6 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова тепло- и массоперенос, микроструктурированные тела, гели, анизотропия, нестационарность, релаксация, оптические и иммерсионные методы, математические модели, численные методы, биотехнологических процессов, биоструктуры

Код ГРНТИ30.17.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы инженерной теплофизики и теории массопереноса, связанной с разработкой научно-обоснованных способов управления интенсивностью и направлением переноса тепла и массы в многофазных микроструктурированных средах (например гелей) в нестационарных условиях. Указанная научная проблема относится к приоритетным направлениям – энергоэффективность и технологии получения и обработки функциональных наноматериалов. Эта проблема возникает вследствие необходимости поиска причин и способов направленных воздействий на сложные неоднородные среды для управления нестационарными явлениями переноса в технике и технологиях. Актуальность сформулированной проблемы подтверждается тем, что, несмотря на принципиальное отличие объектов (технических, биологических, медицинских), изучаемых различными науками, в ряде процессов переноса тепла и массы проявляются общие закономерности, обусловленные общностью фундаментальных законов сохранения, лежащих в их основе. Таким образом, указанная фундаментальная проблема имеет большую общенаучную значимость, и прогресс в ее решении будет способствовать развитию и других научных направлений. Применительно к таким инженерным наукам, как теплофизика и теория массопереноса, актуальность проблемы определяется необходимостью расширения имеющихся знаний и определению принципиально новых закономерностей нестационарного взаимосвязанного тепло- и массопереноса не только для микродисперсных систем различной физико-химической природы, но и для перспективных в научном и технологическом плане микроструктурированных сред и гелей. Здесь основное влияние на макроскопические явления переноса начинают оказывать нелинейные взаимодействия, определяемые микроструктурой сред переноса, а также релаксационные явления в них, что принципиально отличает их свойства от изучаемых ранее макроскопических сред. Применительно к технологиям формирования структурированных слоев наночастиц и использования гелей при 3D печати, знание соответствующих закономерностей позволит оценить две важнейших характеристики, позволяющих использовать их в каждом конкретном случае: максимальную разрешающую способность оборудования и время хранения полученных изделий. Эти характеристики должны быть определены исходя не из возможностей оборудования, а из основополагающих физических принципов проведения технологического процесса. Возникающая в рамках указанной проблемы задача - разработка методов управления свойствами упорядоченных микроструктурированных дисперсных систем и гелей с помощью внешних физических воздействий с учетом внутренних релаксационных процессов - является одной из определяющих для ключевых проблем развития перспективных промышленных технологий нефтедобычи и экологической защиты хранилищ отходов, а также медицинских технологий по созданию биореакторов для выращивания биологических объектов, например иммобилизованных живых клеток, разработке микроконтейнеров для управляемой доставки лекарственных средств и моделей биологических тканей для изучения процессов переноса тепла и вещества в них [Eds. Kajiwara K., Osada Yo. Gels handbook. Four-Volume Set, 2000; Rivest Ch., Morrison D.W.G., et al. Microscale hydrogels for medicine and biology: synthesis, characteristics and applications. 2007] . Применение иммобилизованных живых клеток имеет чёткие перспективы. Это и повышение эффективности биотехнологических процессов, и снижение расходов на выделение целевых продуктов биосинтеза, и формирование определённых искусственных функциональных биоструктур и тканей. Поставленная задача, предполагает экспериментальное и теоретическое определение новых закономерностей раздельного и совместного тепло- и массопереноса в микроструктурированных средах и гелях при наличии усложняющих факторов, связанных с макро- и микронеоднородностями среды переноса, наличием химических реакций и релаксационных процессов, а также внутренних и внешних нестационарных и нелинейных воздействий. Выявленные закономерности укажут пути управления свойствами тепло- и массопереноса микроструктурированных сред с целью достижения технологически необходимых тепловых и массовых потоков, а также будут способствовать развитию теоретических основ синтеза новых многофазных микроструктурных материалов различного назначения. Предлагаемый комплекс исследований направлен на прогнозирование поведения и устойчивости слоев наночастиц при их синтезе химическими методами, проточных микробиоректоров для искусственного культивирования биотехнологически значимых культур в условиях резкого изменения внешних и внутренних тепловых и гидродинамических факторов, прогнозирования стабильности тепловых, диффузионных и реологических свойств морфологически сложных биологических и медицинских объектов, создаваемых методами аддитивных технологий, создание на основе гелей объектов с селективной проницаемостью для экологической защиты хранилищ промышленных отходов, для разработки препаратов направленного воздействия при лечении костных тканей. Принципиальная научная новизна задачи, заключается в том, что на основе экспериментальных и теоретических исследований предлагается выявить основные факторы и установить закономерности, определяющие характер, направление и интенсивность тепло- и массопереноса в микроструктурированных средах и гелях, содержащих физиологически активные живые объекты с... Ранее авторами были получены основополагающие результаты по исследованию динамики многофазного теплопереноса в макроскопических средах с интенсивным тепловыделением при наличии вынужденной и естественной конвекции. Применительно к исследованию массопроводности гелей разработан новый спектральный метод их оптического зондирования, показано принципиальное различие диффузионного переноса чистых растворов и растворов с наночастицами в гелях, изучена массопроводность в анизотропных гелях, предложена новая модель массопроводности в гелях на основе дифференциально-разностного уравнения диффузии. Совместно с Кардиффским университетом (Великобритания) рассматривалась проблема использования гелей для создания проточного микробиореактора для культивирования стволовых клеток. Экспериментально, с помощью различных оптических методов получены новые закономерности, описывающие тепловые процессы в неподвижных зернистых слоях и макроструктурированных материалах. Важно, попытаться обобщить эти результаты на новые микроструктурированные среды, имеющие собственные внутренние микромасштабы, и соответственно, обладающие другими, отличными от исследованных свойствами тепло- имассопереноса. Ожидается, что новые научные результаты, в силу общности решаемых задач, обусловленных учетом многочисленных факторов, определяющих скорость переноса, таких как релаксация, химические реакции, неоднородность и анизотропия, микроконвекция, нестационарность на границе, будут иметь широкую научную применимость. Указанные новые закономерности позволят осуществлять целенаправленный поиск режимов переноса тепла и вещества, обеспечивающих техническую и технологическую возможность использования таких сред при создании упорядоченных слоев наночастиц в гелях методом химического синтеза и морфологически сложных объектов биологии и медицины методом 3D печати. Предлагается комплексное исследование процессов тепло- и массоперноса в микроструктурированных средах, не ограниченное только определением их теплофизических или массопроводных характеристик для одного из механизмов переноса, а позволяющее на основе имеющихся в литературе данных и новых результатов разработать теоретические основы науки о процессах переноса в микроструктурированных средах, пригодные для решения практических задач, в том числе управления свойствами этих сред при аддитивных технологиях формирования из них макрообъектов биологического (биореакторы из геля для выращивания клеток) и медицинского (лекарственные контейнеры, модели для изучения свойств тканей и органов) назначения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. А.В. Вязьмин Точные, асимптотические и приближенные решения нелинейных уравнений гидродинамики и массообмена Математические методы в технике и технологиях, ММТТ-28, с. 46-47 (год публикации - 2015)

2. Д.П. Храмцов, Д.А. Некрасов Моделирование всплытия и межфазного массообмена газовых снарядов XX школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, с. 74 (год публикации - 2015)

3. Б.Г.Покусаев, С.П.Карлов, Д.А.Некрасов, Н.С.Захаров Моделирование динамики образования конвективных течений в пристенном зернистом слое Математические методы в технике и технологиях, ММТТ-28, с. 61-64 (год публикации - 2015)

4. B.G. Pokusaev, S.P.Karlov, A.V. Vyazmin, D.A. Nekrasov Peculiarities of unsteady mass transfer in flat channels with liquid and gel Theoretical foundation of chemical engineering, Vol. 49, No. 6, pp. 617-627 (год публикации - 2015)
10.1134/S004057951506007X

5. V.I. Anisimkin, I.E. Kuznetsova, V.V. Kolesov, I,I, Pyataikin, V.V. sorokin, D.A. Skladnev Plate acoustic wave sensor for detection of small amounts of bacterial cells in micro-litre liquid samples Ultrasonics, Vol 62, pp. 156-159 (год публикации - 2015)
10.1016/j.ultras.2015.05.012

6. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Некрасов Д.А., Захаров Н.С. Возникновение и развитие нестационарной микроконвекции в пристенном зернистом слое жидкости Четвертая Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», с.56-59 (год публикации - 2015)

7. Н.С. Захаров, Д.А. Некрасов Влияние теплофизических свойств жидкости и зернистого слоя на возникновение паровых пузырьков при нестационарном нагреве стенки XX школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, с.65 (год публикации - 2015)

8. Покусаев Б.Г. Процессы переноса в гелях XXXII сибирский теплофизический семинар, сборник трудов, с.12-13 (год публикации - 2015)

Публикации

1. Храмцов Д.П., Некрасов Д.А., Карлов С.П. Моделирование процесса массообмена пузыря в геле Математические методы в технике и технологиях ММТТ-29, с. 60-62 (год публикации - 2016)

2. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Некрасов Д.А., Захаров Н.С. Моделирование микроконвекции в зернистом слое при нестационарном вскипании жидкости Математические методы в технике и технологиях ММТТ-29 (год публикации - 2016)

3. Храмцов Д.П., Вязьмин А.В., Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Некрасов Д.А. Numerical Simulation of Slug Flow Mass Transfer in the Pipe with Granular Layer Chemical Engineering Transactions, Vol. 52, pp. 1033-1038 (год публикации - 2016)
10.3303/CET1652173

4. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Некрасов Д.А., Захаров Н.С. Initiation of Convection Flows in the Wall Granular Layer in the Problem of Boiling of a Subcooled Coolant High Temperature, Vol. 54, No. 5, pp. 708–715 (год публикации - 2016)
10.1134/S0018151X16040180

5. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А., Резник В.В. Silica gels of different densities: the kinetics of formation and several properties 22nd International Congress of Chemical and Process Engineering (год публикации - 2016)

6. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Некрасов Д.А., Захаров Н.С., Резник В.В., Вязьмин А.В., Храмцов Д.П., Складнев Д.А. Agarose Gels: The Kinetics of the Formation, Structure, Diffusion Properties International Conference on Biofabrication (год публикации - 2016)

7. Храмцов Д.П., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А. Numerical simulation of slug flow mass transfer in the pipe with granular layer 22nd International Congress of Chemical and Process Engineering (год публикации - 2016)

8. Покусаев Б.Г., Некрасов Д.А., Карлов С.П., Храмцов Д.П. Experimental and Numerical Simulation of Interphase Mass Transfer of Gas Bubble in Granular Backfill and Gel Theoretical Foundations of Chemical Engineering, Vol. 50, No. 5, pp. 690-696 (год публикации - 2016)
10.1134/S0040579516050341

9. Анисимкин В.И., Покусаев Б.Г., Складнев Д.А., Сорокин В.В., Тюпа Д.А. Application of an Acoustoelectronic Technique to Study Ordered Microstructured Disperse Systems with Biological Objects in a Hydrogel Acoustical Physics, Vol. 62, No. 6, pp. 754–759 (год публикации - 2016)
10.1134/S1063771016060014

10. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Вязьмин А.В., Охотникова К.А., Некрасов Д.А. Characteristics of Layered Gels Formation by Additive Technologies MATEC Web of Conferences, vol. 84 (год публикации - 2016)
10.1051/matecconf/20168400030

11. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А. Diffusion of Nano-Particles in Gels Chemical Engineering Transactions, Vol. 47, pp. 91–96 (год публикации - 2016)
10.3303/CET1647016

12. Вязьмин А.В., Покусаев Б.Г. Multilayer gels: the kinetics of the formation, structure and diffusion properties Topical issues of heat and mass transfer at phase transitions and multiphase flows in modern chemical technology and energy equipment, p. 21 (год публикации - 2016)

13. Тюпа Д.В., Каленов С.В., Баурина М.М., Якубович Л.М., Морозов А.Н., Закалюкин Р.М., Сорокин В.В., Складнев Д.А. Efficient continuous biosynthesis of silver nanoparticles by activatedsludge micromycetes with enhanced tolerance to metal ion toxicity Enzyme and Microbial Technology, Vol. 95, pp. 137–145 (год публикации - 2016)

14. Покусаев Б.Г., Некрасов Д.А., Храмцов Д.П. Modeling Slug Flow and Mass Transfer in Inclined Pipes Theoretical Foundations of Chemical Engineering, Vol. 50, No. 3, pp. 237–241 (год публикации - 2016)
10.1134/S004057951603009X

Публикации

1. Покусаев Б.Г., Храмцов Д.П. Modelling of liquid evaporation during gel formation 12-th International Conference «Two-Phase Systems for Space and Ground Applications», pp. 164 -165 (год публикации - 2017)

2. Покусаев Б.Г., Храмцов Д.П. Numerical modelling and experimental study of liquid evaporation during gel formation Journal of Physics: Conference Series, Vol. 925 paper 012023 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/925/1/012023

3. Покусаев Б.Г., Вязьмин А.В., Захаров Н.С., Карлов С.П., Некрасов Д.А., Резник В.В., Храмцов Д.П. Non-stationary heat transfer in gels applied to biotechnology Thermal Science, Vol. 21, No. 5, pp. 2237-2246, 2017 (год публикации - 2017)
10.2298/TSCI170415125P

4. Покусаев Б.Г., Вязьмин А.В., Карлов С.П., Некрасов Д.А., Складнев Д.А. Unsteady heat and mass transfer in gels, used as media for immobilizing micro bio-objects MATEC Web of Conferences, Vol. 115, XXXIII Siberian Thermophysical Seminar (STS-33), article 01001 (год публикации - 2017)
10.1051/matecconf/201711501001

5. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А., Захаров Н.С., Резник В.В., Храмцов Д.П., Складнев Д.А. Structure of gels layers with cells 12-th International Conference «Two-Phase Systems for Space and Ground Applications», pp. 42 - 43 (год публикации - 2017)

6. Покусаев Б.Г., Вязьмин А.В., Карлов С.П., Захаров Н.С., Резник В.В., Некрасов Д.А. Agar Gels: Kinetics of Formation and Structure Chemical Engineering Transactions, Vol. 57, pp. 1327-1332, 2017 (год публикации - 2017)

7. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Вязьмин А.В., Складнев Д.А. Структура слоистых гелей Математические методы в технике и технологиях, Том 2, с. 84 - 89 (год публикации - 2017)

8. Храмцов Д.П. Моделирование испарения жидкости в процессе формирования геля XXI Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках”, Том 1, с. 395 -396 (год публикации - 2017)

9. Захаров Н.С., Некрасов Д.А., Резник В.В. Процессы переноса в агарозном геле различной концентрации с учетом иммобилизации микроорганизмов Математические методы в технике и технологиях, Том 2, с. 96 - 99 (год публикации - 2017)

10. Храмцов Д.П. Моделирование процесса формирования геля с учётом массопереноса Математические методы в технике и технологиях, Том 7, с. 106-111 (год публикации - 2017)

11. Карлов С.П., Захаров Н.С., Некрасов Д.А., Резник В.В. Исследование процессов тепло- и массопереноса в микроструктурированных средах и гелях XXI Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках”, Том 2, с. 276 -278 (год публикации - 2017)

12. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А., Захаров Н.С., Храмцов Д.П., Складнев Д.А., Тюпа Д.В. Structure of gels layers with cells Journal of Physics: Conference Series, Vol. 925, paper 012017 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/925/1/012017

13. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А. Закономерности формирования и диффузионные свойства силикатных и агарозных гелей Теоретические основы химической технологии (год публикации - 2018)