Кинетика фазовых переходов в метастабильных системах: нуклеация и рост кристаллов с приложениями к кристаллизации биохимических соединений

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 18-19-00008

НазваниеКинетика фазовых переходов в метастабильных системах: нуклеация и рост кристаллов с приложениями к кристаллизации биохимических соединений

Руководитель Александров Дмитрий Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Фазовые переходы, нуклеация, рост кристаллов, кинетика, метастабильные системы, математическое моделирование, свойства материалов, приложения в химии и медицине.

Код ГРНТИ29.19.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы теории фазовых переходов – исследование нуклеации и роста кристаллов в метастабильных системах. Одним из основных направлений исследований проекта, представляющем собой его новизну, является теоретический учёт эффекта нестационарного роста зародышей, обеспечивающийся флуктуациями различной физико-химической природы. В рамках проекта будет сформулирован и решён ряд новых математических моделей, описывающих промежуточную стадию фазового превращения в метастабильных растворах и расплавах с учётом нестационарного флуктуационного роста отдельных зародышей. В целом, теоретическое описание нуклеации и роста кристаллов позволит определить динамику снятия переохлаждения (пересыщения) в системе, найти функцию распределения кристаллов по размерам и её моменты, аналитически определить частоту (темп) нуклеации в рамках различных кинетических механизмов, изучить эффект «диффузии» функции распределения по пространству размеров кристаллов. В проекте запланировано развитие теории нуклеации и роста зародышей в метастабильных жидкостях в соответствии с общим поэтапным планом работ по проекту: I. Этап 2018 г. Нестационарная нуклеация и рост кристаллов в метастабильных системах: теория и её приложение к кристаллизации белков; II. Этап 2019 г. Нестационарная нуклеация и рост кристаллов в метастабильных системах с учётом полимеризации: теория роста новой фазы с приложением к промышленным кристаллизаторам (развитие и обобщение теории первого этапа); III. Этап 2020 г. Нестационарная нуклеация и рост кристаллов в метастабильных системах: обобщение теории на бинарные системы. Все этапы работы объединены между собой и выстроены в соответствии с усложнением соответствующих математических моделей, описывающих процессы нуклеации и роста кристаллов в различных физико-химических и биологических системах. Актуальность проекта состоит в большом количестве приложений разрабатываемой теории. Так, например, нуклеация и рост кристаллов контролируют такие процессы, как кристаллизация многокомпонентных систем в промышленных кристаллизаторах, зародышеобразование при спекании и горячем прессовании, рекристаллизация гетерогенных материалов, термическая нестабильность делящихся веществ, формирование требуемых свойств высокопрочных сталей, агрегирование в коллоидах и магнитных жидкостях, синтез белка (например, интерферон-альфа и гормон роста человека), кристаллизация гемоглобина С и полимеризация гемоглобина S, кристаллизация белков в сетчатке глаза (ответственная за образование катаракты) и т.д. В рамках исследований запланировано приложение развиваемой теории к описанию кристаллизации ряда важных биохимических соединений, что является прикладным аспектом проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Александров Д.В., Александрова И.В., Иванов А.А. On the theory of nonstationary growth of particulate assemblages in a supercooled liquid International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 126, P. 1031–1034. (год публикации - 2018)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.038

2. Александров Д.В., Низовцева И.Г., Александрова И.В. On the theory of nucleation and nonstationary evolution of a polydisperse ensemble of crystals International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 128, P. 46–53. (год публикации - 2019)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.119

3. Маковеева Е.В., Александров Д.В. An analytical solution to the nonlinear evolutionary equations for nucleation and growth of particles Philosophical Magazine Letters, Vol. 98, Iss. 5, P. 199-208. (год публикации - 2018)
10.1080/09500839.2018.1522459

4. Александрова И.В., Иванов А.А., Александров Д.В. Analytical description of directional crystallization with two-phase regions AIP Conference Proceedings, Vol. 1997, Art. No. 020019. (год публикации - 2018)
10.1063/1.5049013

5. Александрова И.В., Александров Д.В., Иванов А.А., Малыгин А.П. Nonlinear dynamics of unsteady-state crystallization of a binary system AIP Conference Proceedings, Vol. 1997, Art. No. 020042. (год публикации - 2018)
10.1063/1.5049036

6. Александров Д.В., Маковеева Е.В., Иванов А.А., Стародумов И.О. Nonstationary growth of spherical particles in a supercooled melt AIP Conference Proceedings, Vol. 1997, Art. No. 020043. (год публикации - 2018)
10.1063/1.5049037

7. Александров Д.В., Александрова И.В., Иванов А.А., Гусакова О.В., Торопова Л.В., Титова Е.А. On the theory of two-phase zone incipience due to the effect of constitutional supercooling AIP Conference Proceedings, Vol. 2034, Art. No. 020002. (год публикации - 2018)
10.1063/1.5067345

8. Александров Д.В., Иванов А.А., Александрова И.В. The influence of Brownian coagulation on the particle-size distribution function in supercooled melts and supersaturated solutions Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, Vol. 52, art. no. 015101 (год публикации - 2019)
10.1088/1751-8121/aaefdc

9. Александров Д.В., Александрова И.В. On the theory of the unsteady-state growth of spherical crystals in metastable liquids Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 377, 20180209 (год публикации - 2019)
10.1098/rsta.2018.0209

10. Александров Д.В., Низовцева И.Г. On the theory of crystal growth in metastable systems with biomedical applications: protein and insulin crystallization Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 377, 20180214 (год публикации - 2019)
10.1098/rsta.2018.0214

11. Иванов А.А., Александрова И.В., Александров Д.В. Phase transformations in metastable liquids combined with polymerization Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 377, 20180215 (год публикации - 2019)
10.1098/rsta.2018.0215

12. Маковеева Е.В., Александров Д.В. Effects of nonlinear growth rates of spherical crystals and their withdrawal rate from a crystallizer on the particle-size distribution function Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 377, 20180210 (год публикации - 2019)
10.1098/rsta.2018.0210

13. Александров Д.В., Зубарев А.Ю. Heterogeneous materials: metastable and non-ergodic internal structures Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 377, 20180353 (год публикации - 2019)
10.1098/rsta.2018.0353

14. Александров Д.В., Иванов А.А., Александрова И.В. Unsteady-state particle-size distributions at the coagulation stage of phase transformations European Physical Journal: Special Topics, 228, 161-167 (год публикации - 2019)
10.1140/epjst/e2019-800112-x

15. Маковеева Е.В., Александров Д.В. Effects of external heat/mass sources and withdrawal rates of crystals from a metastable liquid on the evolution of particulate assemblages European Physical Journal: Special Topics, 228, 25-34 (год публикации - 2019)
10.1140/epjst/e2019-800201-3

16. Александров Д.В., Александрова И.В., Иванов А.А., Малыгин А.П., Стародумов И.О., Торопова Л.В. On the theory of the nonstationary spherical crystal growth in supercooled melts and supersaturated solutions Russian Metallurgy (Metally), 2019 (8), 787-794 (год публикации - 2019)
10.1134/S0036029519080020

17. Маковеева Е.В., Александров Д.В., Иванов А.А. A complete analytical solution to the integro-differential model for nucleation and evolution of crystals in a metastable system AIP Conference Proceedings, 2166, 020005 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5131592

18. Александрова И.В., Александров Д.В. Dynamics of particulate assemblages in metastable liquids: a test of theory with nucleation and growth kinetics Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 378, 20190245 (год публикации - 2020)
10.1098/rsta.2019.0245

19. Александров Д.В., Зубарев А.Ю. Patterns in soft and biological matters Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 378, 20200002 (год публикации - 2020)
10.1098/rsta.2020.0002

20. Иванов А.А., Александров Д.В., Александрова И.В. Dissolution of polydisperse ensembles of crystals in channels with a forced flow Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 378, 20190246. (год публикации - 2020)
10.1098/rsta.2019.0246

21. Александров Д.В., Александрова И.В. From nucleation and coarsening to coalescence in metastable liquids Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 378, 20190247 (год публикации - 2020)
10.1098/rsta.2019.0247

22. Маковеева Е.В., Александров Д.В. On the theory of phase transformation process in a binary supercooled melt European Physical Journal: Special Topics, 229, 375-382 (год публикации - 2020)
10.1140/epjst/e2019-900080-6

23. Низовцева И.Г., Александров Д.В. The effect of density changes on crystallization with a mushy layer Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 378, 20190248 (год публикации - 2020)
10.1098/rsta.2019.0248

24. Александров Д.В. Nonlinear dynamics of polydisperse assemblages of particles evolving in metastable media European Physical Journal: Special Topics, 229, 383-404 (год публикации - 2020)
10.1140/epjst/e2019-900049-4

25. Иванов А.А., Александрова И.В., Александров Д.В. Towards the theory of phase transformations in metastable liquids. Analytical solutions and stability analysis European Physical Journal: Special Topics, 229, 365-373 (год публикации - 2020)
10.1140/epjst/e2019-900081-0

26. Александров Д.В., Зубарев А.Ю. Phase-structural and non-linear effects in heterogeneous systems European Physical Journal: Special Topics, 229, 2881-2884 (год публикации - 2020)
10.1140/epjst/e2020-000233-5

27. Никишина М.А., Александров Д.В. Kinetics of the intermediate stage of phase transition with elliptical crystals European Physical Journal: Special Topics, 229, 2937-2949 (год публикации - 2020)
10.1140/epjst/e2020-000037-9

28. Александров Д.В., Иванов А.А., Александрова И.В. On the theory of bulk crystallization in the moving phase transition layer Journal of Crystal Growth, 532, 125420 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jcrysgro.2019.125420

29. Александрова И.В., Иванов А.А., Александров Д.В. How the intermediate stage of a phase transition process transforms to the concluding stage of Ostwald ripening Journal of Crystal Growth, 532, 125456 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jcrysgro.2019.125456

30. Александров Д.В., Маковеева Е.В. The Gibbs-Thomson effect in the evolution of particulate assemblages in a metastable liquid Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics, 384, 126259 (год публикации - 2020)
10.1016/j.physleta.2020.126259

31. Никишина М.А., Александров Д.В. The rate of volume change of elliptical particle in a metastable liquid AIP Conference Proceedings, 2216, 030005 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0003585

32. Александров Д.В., Александрова И.В., Иванов А.А., Стародумов И.О., Торопова Л.В. Направленное затвердевание с двухфазной зоной с учетом зависимости плотности жидкой фазы от температуры и концентрации примеси Расплавы, 1, 37-45 (год публикации - 2020)
10.31857/S0235010620010028

Публикации