Восстановление пространственного распределения пор нанопористых материалов на основе методов жидкостной порометрии.

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 23-29-00352

НазваниеВосстановление пространственного распределения пор нанопористых материалов на основе методов жидкостной порометрии.

Руководитель Белогорлов Антон Анатольевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова нанопористые материалы, несмачивающая жидкость, распределение пор по размерам, распределение пор в пространстве, взаимодействие жидкости с поверхностью

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время знание информации о структуре нанопористых материалов является ключевым для понимания процессов тепломассообмена и катализа, а также для предсказания поведения нанопористых материалов для различных приложений. Также эта информация может оказаться ключевой для вопросов, связанных с такими фундаментальными проблемами взаимодействия несмачивающей жидкости с нанопористыми материалами как гистерезис давлений заполнения-вытекания и явления невытекания несмачивающей жидкости. Стандартно основными характеристиками пористых материалов считают удельный объём пор, удельную площадь поверхности пор, плотность материала каркаса, пористость и функцию распределения пор по размерам. Наиболее часто применяемыми методами для получения этих характеристик являются адсорбция – десорбция газов и ртутная порометрия. Также для определения функции распределения пор развиваются методы с использованием нейтронографии, электрон-позитронной аннигиляции и томографии. Последний метод широко используется для получения пространственного распределения пор, но только макропористых материалов. Остальные методы не позволяют ответить на вопрос о пространственном распределении пор. Известно, что для многих несмачивающих жидкостей и пористых материалов после заполнения пор и снятия избыточного давления наблюдается невытекание либо части жидкости, либо всей жидкости. Также было установлено, что объем этой жидкости зависит критическим образом, как от начальной степени заполнения, так и температуры (переход диспергирования). Следовательно, наблюдаемый захват (невытекание) жидкости можно рассматривать как переход части жидкости в метастабильное состояние. Распад таких состояний определяется не столько функцией распределения пор по размерам, сколько пространственной структурой пор. В данном проекте предполагается получить и использовать результаты экспериментального исследования релаксации метастабильных состояний несмачивающей жидкости диспергированной в нанопористом материале для восстановления пространственного распределения пор по размерам. Эти данные содержат информацию не только о заполняемом и вытекшем объёме жидкости, но и о перераспределении несмачивающей жидкости в пространстве пор. Основой решения поставленной задачи будет являться моделирование пространства пор и моделирование процессов заполнения и вытекания жидкости с оптимизацией пространственного распределения для получения расчётных кривых, совпадающих в пределах погрешности измерений, с экспериментальными данными. Полученные результаты могут быть использованы для создания реалистичных 3D моделей нанопористых материалов и упростить моделирование процессов в них.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. АСАФОВА В.Д., БОРТНИКОВА С.А., КУЛАКОВ С.А., БЕЛОГОРЛОВ А.А. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОР ПО РАЗМЕРАМ. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЕРИМЕНТА Современные проблемы физики и технологий : Сборник тезисов докладов X Международной молодежной научной школы-конференции, Москва, 25–27 апреля 2023 года. – Москва: Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 2023. – 424 с., 167-168. (год публикации - 2023)

2. БОРТНИКОВА С.А., БЕЛОГОРЛОВ А.А. РЕЛАКСАЦИЯ НЕСМАЧИВАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ В НАНОПОРИСТОММАТЕРИАЛЕ ПРИ ЧАСТИЧНОМ ЗАПОЛНЕНИИ Современные проблемы физики и технологий : Сборник тезисов докладов X Международной молодежной научной школы-конференции, Москва, 25–27 апреля 2023 года. – Москва: Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 2023. – 424 с., 171-172 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году были выполнены все необходимые исследования и получены следующие результаты: Проведено исследование влияния формы и размера пор нанопористых материалов на релаксацию метастабильных состояний несмачивающей жидкости – дистиллированной воды и глицерина диспергированных в нанопористых материалах – гидрофобизированном материале МСМ-41 и Fluka 60 C8 (18948). Нанопористые материалы отличаются формой и размером пор, модификацией поверхности. Для всех материалов были получены изотермы сорбции азота, определены удельные площади поверхности пор и удельные объёмы пор, а также восстановлены их функции распределения пор по размерам по методике BJH. В результате исследований были получены Р-V диаграммы изменения внутреннего объёма систем при изменении давления для нескольких циклов. Эксперименты проводились на стенде высокого давления [1] по методике [2] на временах ожидания между циклами заполнения - вытекания от 1 до 10^4 с. Обнаружено, что вытекание несмачивающей жидкости происходит при давлении больше 30 атм. Причём повторные заполнения не демонстрируют существенной сдвижки, свидетельствующей об образовании устойчивых метастабильных состояний. Полученные Р-V диаграммы были обработаны согласно методике, описанной в работе [2] и получены зависимости изменения доли невытекшей несмачивающей жидкости из нанопористого материала от времени ожидания между циклами и температуры. Проведён анализ полученных экспериментальных данных, который показал, что для выбранных нанопористых материалов с дистиллированной водой доля невытекшей жидкости практически не зависит от температуры и доли заполнения. Эти результаты свидетельствуют о том, что удельная энергия образования поверхности жидкость – твердое тело превышает удельную энергию образования поверхности жидкость – газ для большинства пор. Для этих же систем были получены экспериментальные зависимости изменения объёма системы от давления, изменения объёма системы от времени и изменения давления в системе от времени для трёх скоростей изменения внутреннего объёма. Исследования были выполнены на экспериментальном стенде ИТЖМ-20 позволяющим, в отличие от стенда [1] варьировать скорость изменения внутреннего объёма. Обнаружено влияние скорости роста давления в измерительной ячейке на давление заполнения, как в случае глицерина, так и в случае с водой. Получены зависимости скоростей заполнения нанопористых материалов МСМ-41 и Fluka 60 C8 (18948) жидкостями дистиллированная вода и глицерин и их вытекания от времени, давления и степени заполнения для трёх скоростей изменения внутреннего объёма. Наблюдается пропорциональность скоростей скорости изменения давления в измерительной ячейке. Разработана методика определения энергетики короткоживущих (до 10 с) и долгоживущих (от 10 до ~ 10^4 с) метастабильных состояний несмачивающей жидкости. В основе методики лежит анализ энергии первого и повторных (в соответствии с заданными временами ожидания) заполнений нанопористого материала несмачивающей жидкостью до заданной доли пор, а также доля вытекшей жидкости за время ожидания. Определялись разности между значениями энергии и вытекшей жидкости между соседними временными интервалами. Получены зависимости энергии заполнения и доли заполненного объёма для короткоживущих (до 10 с) и долгоживущих (от 10 до ~ 10^4 с) метастабильных состояний несмачивающей жидкости в случае полного и частичного начального заполнения пор несмачивающей жидкостью для исследованных систем. Результаты показывают, что с увеличением доли начального заполненного объёма увеличивается доля релаксирующих пор с увеличением времени ожидания. Однако такая тенденция не наблюдалась для степени заполнения до перколяционного порога и при полном заполнении материала. Это может быть объяснено эффектом разрыва путей для вытекания и необходимости образования поверхности жидкость – твердое тело. Разработана методика для определения размеров кластеров несмачивающей жидкости соответствующих короткоживущим и долгоживущим метастабильным состояниям в рамках приближения процессов в одной грануле нанопористого материала. Определены размеры кластеров несмачивающей жидкости соответствующих короткоживущим и долгоживущим метастабильным состояниям для исследованных систем. Из полученных результатов можно сделать вывод об уменьшении размеров кластеров с увеличением времени их жизни. Разработана методика определения пространственного распределения пор в кластерах на основе данных об энергетике и размере кластеров несмачивающей жидкости соответствующих короткоживущим и долгоживущим метастабильным состояниям. На языке Python были разработаны программы для моделирования структуры пор для вариантов пространственного распределения пор - в узлах решетки и случайным расположением. Разработан алгоритм изменения пространственного распределения пор в программе моделирования пространственного распределения пор на основе методик для оценки энергетики и размера кластеров несмачивающей жидкости соответствующих короткоживущим и долгоживущим метастабильным состояниям. Основой алгоритма является процедура замены коэффициента связности части пор на среднее значение, соответствующее расчётам по релаксации метастабильных состояний. Разработана методика определения пространственного распределения пор пористого материала на основе моделирования пространства пор и моделирования процессов заполнения и вытекания жидкости с оптимизацией пространственного распределения для получения расчётных кривых, совпадающих в пределах погрешности измерений, с экспериментальными данными. Получено удовлетворительное совпадение расчётных и экспериментальных зависимостей. Список литературы: 1. Борман ВД, Белогорлов АА, Грехов АМ, Лисичкин ГВ, Тронин ВН, Троян ВИ. Перколяционный переход при заполнении нанопористого тела несмачивающей жидкостью. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2005;127(2):431-44. 2. Borman, V. D., A. A. Belogorlov, and V. N. Tronin. "Anomalously slow relaxation of interacting liquid nanoclusters confined in a porous medium." Physical Review E 93.2 (2016): 022142.

Публикации

1. Асафова В. Д., Кулаков С. А., Бортникова С. А., Белогорлов А. А. Влияние условий эксперимента на восстановление функции распределения пор по размерам Инженерно-физический журнал, Том 97, № 6, 1502-1506 (год публикации - 2024)

2. Бортникова С.А., Белогорлов А.А., Быркин В.А. ENERGETICS OF SHORT- OR LONG-TERM STATES OF NON- WETTING LIQUID DISPERSED IN NANOPOROUS MATERIAL XIX International Scientific Conference “Physical and Chemical Processes in Atomic Systems”. Technical Program and Abstracts. M.: NRNU MEPhI, р. 101 (год публикации - 2024)

3. Асафова В. Д., Кулаков С. А., Быркин В.А., Бортникова С. А., Белогорлов А. А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗАПОЛНЕНИЯ НАНОПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА НЕСМАЧИВАЮЩЕЙ ЖИДКОСТЬЮ ВЕСТНИК НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЯДЕРНОГО УНИВЕРСИТЕТА "МИФИ", т. 13, № 5, с. 285–292 (год публикации - 2024)
10.26583/vestnik.2024.5.1

4. Асафова В. Д., Кулаков С. А., Бортникова С. А., Белогорлов А. А. EFFECTS OF THE EXPERIMENTAL CONDITIONS ON THE RECOVERY OF THE FUNCTION OF SIZE DISTRIBUTION OF PORES Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol. 97, No. 6, 1503-1507 (год публикации - 2024)
s10891-024-03023-9

5. Бортникова С. А., Белогорлов А. А. Релаксация несмачивающей жидкости, диспергированной в частично заполненном нанопористом материале Инженерно-физический журнал, Том 97, № 6, 1519-1523 (год публикации - 2024)

6. Бортникова С. А., Белогорлов А. А. RELAXATION OF A NONWETTING LIQUID DISPERSED IN A PARTIALLY FILLED NANOPOROUS MATERIAL Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol. 97, No. 6, pp. 1521–1525 (год публикации - 2024)
s10891-024-03026-6

7. Белогорлов А. А., Кулаков С. А., Быркин В.А., Асафова В. Д., Бортникова С. А. INFLUENCE OF PORE SIZE ON THE FLOW OF NON-WETTING LIQUID IN NANOPORES XIX International Scientific Conference “Physical and Chemical Processes in Atomic Systems”. Technical Program and Abstracts. M.: NRNU MEPhI, р. 102 (год публикации - 2024)

8. Асафова В. Д., Бортникова С. А., Быркин В.А., Кулаков С. А., Белогорлов А. А. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗАПОЛНЕНИЯ НАНОПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА НЕСМАЧИВАЮЩЕЙ ЖИДКОСТЬЮ XI Международная молодежная научная школа-конференция «Современные проблемы физики и технологий»: Сборник тезисов докладов. Москва, стр. 155-156 (год публикации - 2024)