Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Все запланированные на 2024 год задачи были выполнены. Более того, были выполнены дополнительные работы, выходившие за рамки изначального плана и появившиеся как идеи во время выполнения основных работ: 1) Для работы были отобраны пять образцов российских почв, к ним мы также добавили образец чистой глины (без органики) для референтных значений и исключения влияния органического вещества. Для каждого образца были проведены КТ исследования его структуры для анализа однородности, а затем исследования наноструктуру с помощью FIB-SEM и/или малоуглового рассеянии рентгеновского излучения (МУР). 2) Были изготовлены микрофлюидные чипы и отработана методика иммобилизации в нем нанопористых структур, а также определен рабочий диапазон потока жидкости. 3) При нескольких различных температурах было изучено прохождение растворов через системы с заданным давлением путем измерения объема прошедших жидкостей. Была получена зависимость перепада давления в прототипах микромоделей от расхода воды и воздуха, и определена их проницаемость. 4) Дополнительно к запланированным исследованиям в лаборатории были проведены первичные эксперименты по ненасыщенной фильтрации воды и воздуха. 5) Было изучено поведение воды и воздуха в нанопорах малого размера (5-25 нм), в том числе были модельно воспроизведены проскальзывание и торможение на стенках из органики. Полученные зависимости потока в нанопоре в зависимости от локального давления в диапазоне реалистичных значений впервые позволяют говорить о потенциальных процессах нанофильтрации в почвах. Самое интересное, что помимо воды и воздуха, мы исследовали поток воды с целлюлозой – это позволило смоделировать распространение эксудатов. 6) На основе стохастических методов был разработан метод заполнения срезов для создания трехмерной геометрии с одинаковым размером вокселей во всех ортогональных направлениях при резке ионным пучком при использовании методики FIB-SEM. 7) Мы сравнили потоки в нанопоре размером 5 нм в модели Джавадпура, в модифицированной модели Джавадпура, расчетах в гидродинамической модели и теми результатами, что мы получили на основе молекулярного моделирования. Все модели дали сильно различные значения, требующие дальнейшего исследования. 8) Была выбрана численная схема и методика решения уравнения Дарси с учетом нелинейной зависимости локальной проницаемости от локального давления. Модель была протестирована против классического симулятора MRST считая фильтрацию линейной (с проницаемостью, не зависящей от давления). 9) В рамках разработки общей теории применения информационного содержания при описании фильтрации в пористых средах, мы поняли, что очень популярный концепт в науке – педотрансферные функции (тысячи публикаций в Q1 журналах по этой теме и постоянный тренд на увеличение публикаций) на самом деле имеет целый ряд заложенных в него нерешаемых нефизичностей. 10) Мы сравнили фильтрационные характеристики – насыщенные в виде проницаемости и ненасыщенные в виде капиллярной кривой (ОГХ) и относительных проницаемостей (ненасыщенная влагопроводность) по классической модели ван Генухтена-Муалема. Таким образом, мы выполнили все запланированные работы, и даже сделали дополнительные исследования. За год было запланировано подготовить 3 манускрипта статей в журналы, было подготовлено 5 статей – все они находятся на рассмотрении в журнал (4 в международных журналах Q1, 1 статья – в русском журнале из «белого списка»).

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Все запланированные на 2025 год задачи были выполнены. Более того, были выполнены дополнительные работы, выходившие за рамки изначального плана и появившиеся как идеи во время выполнения основных работ, которые привели к целому ряду очень интересных результатов: 1) Продолжена работа с шестью образцами почв и референтной глины. Проведены КТ-исследования однородности образцов. Ввиду невозможности использования FIB-SEM, для анализа наноструктуры всех образцов успешно применен метод малоуглового рассеяния рентгеновского излучения (МУР). На основе кривых рассеяния проведены реконструкции наноструктуры органо-минеральных отдельностей. 2) Разработан алгоритм для переноса 3D-структуры пористой среды на 2D-чип с помощью стохастических реконструкций графа поросетевой модели. Алгоритм оптимизирует топологические характеристики (распределение размеров пор и горловин, корреляции, Эйлерово число) в двумерной проекции для последующего воспроизведения на чипе. 3) Проведен анализ собственной флуоресценции образцов. Для минимизации фона подобран набор флуоресцентных трассеров, возбуждаемых в диапазоне от 480 нм: Флуоресцеин натрия, Родамин B, Родамин 6G, TechnoDye 498/505, Cyanine5, Sulfo-Cyanine3. 4) Разработана и верифицирована универсальная методика фотометрического определения концентраций в микрофлюидных чипах. На основе многомерной линейной регрессии созданы калибровочные модели, связывающие цветовые характеристики флуоресцентного изображения с концентрацией для каждого красителя. Определены оптимальные рабочие диапазоны концентраций и мощности возбуждения. 5) На макромасштабе (колонка с почвой) выявлено принципиальное различие в поведении трассеров: флуоресцеин натрия (FlNa) свободно проходит, а родамин 6G (Rho6G) полностью сорбируется. Это позволило разделить трассеры на инертные (слабосорбирующиеся) и активно сорбирующиеся. 6) В микроэкспериментах количественно изучена кинетика массопереноса. Инертные красители (FlNa, TechnoDye) показали быстрое и обратимое прохождение. Сорбирующиеся трассеры (RhoB, Rho6G, Cy5 и др.) демонстрировали медленную кинетику, неполное вымывание и признаки взаимодействия с почвой. 7) Анализ выхода трассеров показал, что разные трассеры являются эффективными моделями для изучения как гидродинамики, так и процессов сорбции загрязнителей. 8) Поросетевой симулятор однофазной фильтрации параметризовался на основе данных молекулярной динамики и прямых расчетов. Первые тесты параметризации локальных потоков с помощью машинного обучения показали многообещающие результаты (R² > 0.7). 9) Проведено моделирование на молекулярном уровне для системы воздух-вода в нанопорах. Получены параметры (контактный угол, поверхностное натяжение) для классических материалов стенок (кварц, глина, целлюлоза), пригодные для параметризации поросетевых моделей. Ввиду отсутствия точных моделей химической структуры органо-минеральных соединений почв, работы проводились на более изученных объектах. 10) Анализ однородности и реконструкция поросетевых моделей из 3D-наноизображений проведены с использованием собственной библиотеки PARSE. Полученные данные формируют основу для многомасштабного моделирования свойств почвы и чипов. 11) Для микрочипов с внедренной нанопористостью успешно проведено совмещение масштабов в единые поросетевые модели. Эти модели готовы для валидации путем сравнения с будущими экспериментальными данными. 12) Проведено моделирование однофазной фильтрации воды и воздуха по совмещенным поросетевым моделям. Для воды в порах крупнее 30 нм эффект проскальзывания оказался незначительным; для меньших пор параметризация возможна на основе данных молекулярного моделирования. 13) На основе разработанного нелинейного Дарси-симулятора рассчитана проницаемость микрочипов. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными и расчетами на поросетевых моделях показало существенное расхождение (в разы), требующее дальнейшего анализа. При этом моделирование потока в пустом чипе на основе уравнений Стокса дало результаты с минимальной ошибкой. 14) Методами молекулярной динамики разработаны модели керогенов типов I-A и II-D различной плотности. Рассчитаны их упругие модули, показавшие экспоненциальную зависимость от плотности и пористости. Полученные значения соответствуют экспериментальным данным и формируют методологическую основу для будущего моделирования органо-минеральных соединений в почвах. 15) С помощью атомистического моделирования изучены структурные изменения в ансамблях наночастиц глины (монтмориллонит, каолинит) при циклическом изменении содержания воды. Показано, что уменьшение влаги приводит к агрегации и упорядочиванию частиц. Выявлен выраженный гистерезис водоудерживающей способности для натриевого монтмориллонита и его отсутствие для каолинита. Эти результаты раскрывают механизмы структурных изменений почв на наноуровне в зависимости от влажности. 16) Разработан новый быстродействующий решатель для стационарного уравнения Стокса, использующий несколько графических процессоров (GPU) и позволяющий работать с большими расчетными областями. 17) В связи с санкционными ограничениями успешно исследована возможность использования альтернативного аппаратного обеспечения (AMD GPU) через реализацию на SYCL. Разработанный геометрический многосеточный метод демонстрирует линейную асимптотику и работает на различных бэкендах (CPU, NVIDIA GPU, AMD GPU), подтверждая универсальность и аппаратную независимость предложенного библиотечного подхода. Таким образом, мы выполнили все запланированные работы, и даже сделали дополнительные исследования. За год было запланировано опубликовать 4 статьи, именно столько и было опубликовано. Несколько статей с прошлого года находятся на рецензировании. За год было подготовлено еще три манускрипта, еще три находятся на стадии доработок. На данный момент мы перевыполняем показатели по публикационной активности.