Поверхностные явления в коллоидно-дисперсных системах, физико-химическая механика, адсорбционные и хроматографические процессы

Основными объектами исследования являются: процессы и поверхностные явления в системах, содержащих наноразмерные элементы, роль таких элементов в обеспечении требуемых функциональных свойств и эксплуатационной стойкости материалов/покрытий, физико-химическая механика материалов и покрытий, адсорбционные и хроматографические процессы, установление влияния нейтронного облучения на перспективные относительно радиационно-стойкие материалы: плавленый кварц и монокристаллический сапфир, установление влияния легирования вольфрама Re, Ta и Mo на формирование в них радиационно-индуцированных ловушек после высокотемпературного облучения ионами железа, бинарные системы, наполненные волокнами, отвержденные многокомпонентные системы. Цели работы состоят: - в развитии фундаментальных знаний о физико-химии наноразмерного состояния, особенностях адсорбционных процессов и адсорбционной деформации, в том числе на наноразмерных объектах, характере и механизмах действия поверхностных сил между наноразмерными объектами, роли шероховатости в их взаимодействиях, механизмах трения и диссипации энергии на наноструктурированных поверхностях, роли эффектов адсорбционного понижения прочности и пластификации, транспорта компонентов в субмиктротрещинах и субграницах в условиях высокоскоростной и квазистатической деформации, особенностях формирования фазовой структуры и ее количественных параметров в отверждающихся многокомпонентных полимерных системах, влиянии физико-механических свойств компонентов на формирование структуры композитов, влиянии плазменных и механических воздействий на состав, структуру и изменение функциональных свойств поверхностных слоев материалов; - в разработке научных основ создания эффективных систем адсорбционного аккумулирования и разделения газов на микропористых адсорбентах, обладающих высокоразвитой адсорбционной структурой; - в разработке углубленных методов исследования поверхностей материалов комплексом современных хроматографических и масс-спектрометрических методов, в том числе для экспериментального концентрирования и определения следовых количеств органических и неорганических веществ на различных поверхностях в режиме имиджинга, развитии методов машинного обучения для предсказания хроматографических индексов удерживания органических молекул; - в измерении дзета-потенциала структурированных поверхностей; - в изучении изменения оптических свойств облученных оксидов при их взаимодействии с низкотемпературной неравновесной плазмой и вакуумном отжиге; - в изучении накопления дейтерия в радиационно-поврежденных бинарных сплавах W-5%Re, W-2,5%Mo, W-5%Ta после их экспозиции в D2 при температуре 673 К и давлении 100 кПа в течение 10 часов; - в исследовании нового метода активации алюминия, основанного на механическом легировании порошков небольшим количеством промоторов высокотемпературного окисления и горения. Методы или методологии проведения работ: использованы методы теоретического анализа, численное моделирование методами молекулярной динамики и Монте-Карло, аналитические и численные расчеты, в том числе с применением суперкомпьютерных ресурсов и методов искусственного интеллекта, экспериментальные методы коллоидной химии и физико-химии поверхности, включая изучение смачивания, кинетики кристаллизации, методы физической, химической и физико-химической обработки поверхностей, атомно-силовая микроскопия; объемно-весовые методы измерения адсорбции при разных температурах и давлениях, теплот адсорбции и десорбции, оптическая и электронная микроскопия, рентгеновская и рентгено–фотоэлектронная спектроскопия, ИК-спектроскопия, термогравиметрический анализ; методы матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации для мониторинга коррозионных поражений металлических поверхностей в режиме имиджинга (визуализации) с использованием масс-спектрометра с источником на основе матрично- и поверхностно-активированной лазерной десорбции/ионизации и времяпролетным масс-анализатором; методы машинного обучения с использованием библиотек CDK (версия 2.7.1) и RDKit (версия 2021.09.4) для задач хемоинформатики и вычисления молекулярных дескрипторов для идентификации и определения структуры органических и неорганических соединений; методы электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, рентгеновской дифрактометрии, дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа для структурно−морфологических исследований; методы лазерной микроинтерферометрии, рефрактометрии, методы низкотемпературных сколов, метод сидящей капли, микромеханическая методика Drop-String test для изучения фазовых равновесий, диффузионных процессов и структурообразования в многокомпонентных реакционноспособных системах и ряде других. Получены следующие основные результаты: - предложена методика и изготовлен интерферометр для ее реализации, позволяющие выполнять измерения дисперсионных сил и энергии адгезии между шероховатыми поверхностями при ненагруженном контакте. Исследована роль затухания собственных колебаний наносистемы в трении на атомном масштабе, объяснены нетривиальные особенности изменения резонансного и квазирезонансных пиков силы трения. Установлена возможность регулирования эффективной силы трения оптимизацией скорости движения; - проведены оптимизационные расчеты и измерения адсорбции легких энергетических газов на новых суперактивных адсорбентах для систем малой газовой химии, систем аккумулирования природного газа на автомобильном транспорте, мобильных систем доставки газа удаленным потребителям, наземных адсорбционных хранилищ для потребителей с неравномерным потреблением газа. Получены новые данные по адсорбционной деформации адсорбентов и рассчитаны величины тепловыделений в системах при высоких давлениях; - с использованием собственного программного обеспечения разработаны основанные на глубоких нейронных сетях методы для предсказания хроматографических индексов удерживания. Получены индексы удерживания на неполярной и полярной неподвижных фазах, проанализирована точность предсказания в терминах медианной абсолютной ошибки. Разработана методика идентификации и количественного определения нитро- и аминосоединений, близких по структуре с широко используемыми взрывчатыми веществами, на металлической поверхности без предварительной пробоподготовки. Представлены способы количественной оценки коррозионных поражений сплавов на основе железа и меди методом лазерной десорбции/ионизации с использованием внутреннего стандарта на основе хлорида кобальта; - для ионообменных мембран предложена микрогетерогенная модель, которая позволяет описать основные транспортные свойства ионообменных мембран, используя единый набор входных параметров; - показано, что плазменное воздействие высокочастотного разряда в дейтерии в течение четырех часов при температурах 20–100 оС не изменяло структурное состояние предварительно облученных нейтронами кварца и сапфира. Высокочастотный разряд модифицировал только поверхностные слои оксидов масштаба 100 нм, не затрагивая структуру более глубоких, поврежденных нейтронами слоев оксидов; - показано, что после высокотемпературного облучения вольфрама и бинарных сплавов W-Re ионами Fe до уровня повреждений 0,5 сна концентрация радиационно-индуцированных ловушек в бинарных сплавах W-Re была примерно в два раза ниже, чем в W. Легирование вольфрама Mo и Ta не влияло на изменение концентрации ловушек; - выполнены экспериментальные исследования структуры, морфологии, фракционного состава и реакционной способности композиционных порошков алюминия с газообразующими промоторами. Установлена зависимость основных характеристик порошков от технологического режима изготовления; - разработана и апробирована методика построения тройных фазовых диаграмм полимерных систем с реакционноспособными компонентами. Информация о фазовых равновесиях и диффузионной подвижности компонентов в исходной многокомпонентной системе позволяет продвинуться в решении фундаментальной задачи качественного и количественного регулирования формирующейся в процессе химической реакции отверждения фазовой структуры, определяющей физико-механические характеристики полимерных многокомпонентных материалов; - установлены физико-химические закономерности, определяющие состав межфазного переходного слоя в волокнистых полимерных композиционных материалах на основе реакто-термопластичных связующих. Информация об энергетических свойствах поверхности компонентов системы позволяет прогнозировать состав фазы, формирующей переходный слой до 1,5 мкм вокруг моноволокна, определяющий прочностные свойства в системе волокно–матрица. Область применения результатов (рекомендации по внедрению): экспериментальное измерение дисперсионных сил в труднодоступном ранее диапазоне расстояний, предотвращение нарушений работы микроэлектромеханических систем вследствие залипания микроконтактов, контроль сил трения в микро- и наносистемах; адсорбционные аккумуляторы природного газа для питания автомобилей, вместо бензина и дизельного топлива; мобильные газовые терминалы для снабжения удаленных потребителей природным газом метаном, создание наземных адсорбционных газовых терминалов для снабжения промышленных потребителей с сезонной неравномерностью потребления газа; разработка адсорбционных сенсоров наличия ацетона в выдыхаемом человеком воздухе, как одного из маркеров социально значимого заболевания диабетом; экспериментальная методика определения состава сложных смесей органических соединений на поверхности различных конструкционных материалов и оценка их коррозионных поражений; использование вместо вольфрама бинарных сплавов W-Re в действующих и строящихся токамаках.