Теоретически обоснованные методы генерации и мониторинга левитирующих капельных кластеров и биохимические эксперименты в капельных микрореакторах

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 19-19-00076

НазваниеТеоретически обоснованные методы генерации и мониторинга левитирующих капельных кластеров и биохимические эксперименты в капельных микрореакторах

Руководитель Федорец Александр Анатольевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет" , Тюменская обл

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Теплообмен, испарение и конденсация, капельный кластер, динамическая устойчивость, микроскопия и оптический мониторинг, кинетика химических превращений, химический микрореактор, биохимические технологии, лабораторное исследование, физическое моделирование

Код ГРНТИ30.17.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагается новый этап исследования, начатого приоритетной публикацией руководителя проекта (Письма в ЖЭТФ, 2004), обнаружившего формирование кластера из регулярно расположенных сферических капель диаметром несколько десятков микрон, левитирующих как практически плоская структура над локально нагреваемой поверхностью жидкости. Капли кластера образуются в результате конденсации паров жидкости, а структура кластера формируется, главным образом, благодаря силам аэродинамической природы. Систематическая работа по изучению этого явления позволила понять роль различных взаимодействующих процессов и перейти от установления частных закономерностей к управлению кластером. В частности, значительно расширен возможный температурный диапазон, реализованы альтернативные методы стабилизации кластера и разработана технология получения стабильного кластера из заданного количества практически идентичных капель. Аналогичный результат получен не только для воды, но и для других жидкостей, отличающихся заметным испарением в лабораторных условиях. В последние годы работа все в большей степени опирается на теоретические исследования, публикуемые авторским коллективом в ведущих международных журналах. Одновременно с этим, лабораторная установка оснащается современным диагностическим оборудованием, и в настоящее время имеется возможность перейти к новому этапу работы: изучению химических и биохимических процессов в отдельных каплях, которые становятся своего рода изолированными микрореакторами. Скорость процессов в каплях ожидается значительно более высокой, чем в обычных условиях, что позволит проводить уникальные лабораторные эксперименты. Интересно, что подобные условия встречаются в природе, поскольку разнообразные и многочисленные гидрозоли, включая облака и туманы (в том числе, связанные с вулканической деятельностью) постоянно присутствуют в земной атмосфере. Предполагается, что работа над проектом позволит продвинуться в понимании таких процессов как воздушный перенос химических примесей и микроорганизмов, а также некоторые превращения, связанные с зарождением и первичной эволюцией жизни на планете. В рамках проекта будут: - Разработаны физические и вычислительные модели, описывающие течение паровоздушной смеси и процесс формирования кластера с учетом аэродинамических сил, а также испарения и конденсации жидкости. Специальное внимание будет уделено регулярной структуре кластера и его динамической и тепловой устойчивости. Эти вопросы будут рассматриваться с привлечением современных методов энтропийного анализа и теории устойчивости. - Усовершенствованы предложенные ранее и разработаны новые экспериментальные методы, относящиеся к генерации кластеров из капель с заданной концентрацией растворенных примесей, к перемещению кластера вдоль поверхности слоя жидкости, управлению структурой кластера и его стабилизацией, а также методы инициации химических реакций ультрафиолетовым излучением. - Впервые будут проведены эксперименты по изучению in situ кинетики химических процессов в каплях с применением методов спектроскопии комбинационного рассеяния и флуоресцентной микроскопии. - Впервые будет проведено экспериментальное исследование и теоретическое моделирование влияния внешнего электрического поля на параметры кластера и его устойчивость. Ожидается, что наличие дополнительных сил, связанных с поляризацией капель в электрическом поле, позволит уточнить параметры аэродинамического взаимодействия паровоздушного потока и капельного кластера. Результаты исследований будут доложены на международных конференциях и опубликованы в ведущих российских и международных журналах. Члены авторского коллектива регулярно публикуют результаты своих работ, в частности, по задачам, относящимся к данному проекту. За последние пять лет авторы проекта опубликовали 134 работ в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, из них более 50 статей в журналах Q1.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Федорец А.А., Бормашенко Э., Домбровский Л.А., Носоновский М. Droplet clusters: Nature-inspired biological reactors and aerosols Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Т. 377, №2150, номер статьи 20190121 (год публикации - 2019)
10.1098/rsta.2019.0121

2. Федорец А.А., Актаев Н.Е., Габышев Д.Н., Бормашенко Е., Домбровский Л.А., Носоновский М. Oscillatory Motion of a Droplet Cluster Journal of Physical Chemistry C, Т. 123, стр. 23572-23576 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpcc.9b08194

3. Федорец А.А., Френкель М., Легченкова И., Щербаков Д.В., Домбровский Л.А., Носоновский М., Бормашенко Э. Self-Arranged Levitating Droplet Clusters: A Reversible Transition from Hexagonal to Chain Structure Langmuir, Т. 35, стр. 15330-15334 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.langmuir.9b03135

4. А.А. Федорец, Л.А. Домбровский, Д.Н. Габышев, Э. Бормашенко, М. Носоновский Effect of external electric field on dynamics of levitating water droplets International Journal of Thermal Sciences, V. 153, № статьи 106375 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijthermalsci.2020.106375

5. А.А. Федорец, Э. Бормашенко, Л.А. Домбровский, М. Носоновский Symmetry of small clusters of levitating water droplets Physical Chemistry Chemical Physics, V. 22, № 21, P. 12239-12244 (год публикации - 2020)
10.1039/d0cp01804j

6. М. Носоновский, П. Рой Allometric scaling law and ergodicity breaking in the vascular system Microfluidics and Nanofluidics, V. 24, № 7, № статьи 53 (год публикации - 2020)
10.1007/s10404-020-02359-x

7. Л.А. Домбровский, А.А. Федорец, В.Ю. Левашов, А.П. Крюков, Э. Бормашенко, М. Носоновский Stable cluster of identical water droplets formed under the infrared irradiation: Experimental study and theoretical modeling International Journal of Heat and Mass Transfer, V. 161, № статьи 120255 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120255

8. А.А. Федорец, Д.В. Щербаков, Л.А. Домбровский, Э. Бормашенко, М. Носоновский Impact of Surfactants on the Formation and Properties of Droplet Clusters Langmuir, V. 36, № 37, P. 11154-11160 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.langmuir.0c02241

9. Л.А. Домбровский, А.А. Федорец, В.Ю. Левашов, А.П. Крюков, Э. Бормашенко, М. Носоновский Modeling evaporation of water droplets as applied to survival of airborne viruses Atmosphere, V. 11, № 9, № статьи 965 (год публикации - 2020)
10.3390/ATMOS11090965

10. Н.Е. Актаев Potential well formation over a locally heated water surface Applied Mathematical Modelling, V. 90, P. 366-374 (год публикации - 2021)
10.1016/j.apm.2020.09.016

11. А.А. Федорец, Д.Н. Габышев, Д.В. Щербаков, Э. Бормашенко, Л.А. Домбровский, М. Носоновский Vertical oscillations of droplets in small droplet clusters Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, V. 628, article number 127271 (год публикации - 2021)
10.1016/j.colsurfa.2021.127271

12. Э. Бормашенко, А.А. Федорец, Л.А. Домбровский, М. Носоновский Survival of Virus Particles inWater Droplets: Hydrophobic Forces and Landauer’s Principle Entropy, V. 23, №2, article number 181 (год публикации - 2021)
10.3390/e23020181

13. М. Френкель, А.А. Федорец, Л.А. Домбровский, М. Носоновский, И. Легченкова, Э. Бормашенко Continuous Symmetry Measure vs Voronoi Entropy of Droplet Clusters Journal of Physical Chemistry C, V. 125, p. 2431-2436 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jpcc.0c10384

Публикации