Подразделения Лаборатория теории физико-химических процессов

Подразделения

/1.//Общая информация (наименование, руководитель, контактная инф.)/ Лаборатория теории физико – химических процессов, рук. Юрий Константинович Товбин, дфмн; 8 – 495 – 917 – 7870; tovbin@cc.nifhi.ac.ru /2.//Основные направления исследований./
  1. I. Виды работ в области теории физико-химических процессов
1) разработка теоретических методов – какие должны быть постановки задач и уравнения, чтобы учесть реальные свойства физико - химических систем (иллюзия, что все системы уже имеют свои теории), 2) разработка новых численных методов исследований, 3) моделирование конкретных систем
  1. II. Направления работ / уровни
Группа Ю. К. Товбина – молекулярная теория фазовых переходов и транспорта в сложных дисперсных фазах, статистическая физика (молекулярный уровень) Группа С.В. Титова – колебательная динамика молекулярных систем (атомно-молекулярный уровень) Группа С. Ф. Тимашева – фликкер - шумовая спектроскопия на макроуровне и ядерно-химические взаимодействия Группа А.В. Дзябченко – строение и дизайн молекулярных кристаллов Островский Г.М. – математическое моделирование сложных химико-технологических систем III. Группа сенсорных материалов. Руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор Л.И. Трахтенберг; тел. 8-495-916-12-09; e-mail: litrakh@gmail.com Создание научных основ проводимости и сенсорного эффекта в наноструктурированных композитах на основе полупроводниковых оксидов металлов различной электронной структуры при детектировании химических соединений. Выяснение влияния количественного и качественного состава нанокомпозитных металлоксидных систем и электронной структуры металлоксидов, а также температуры на проводящие и сенсорные характеристики композитов. Разработка новых высокоэффективных сенсорных материалов для мониторинга окружающей среды и, в частности, для детектирования токсичных и взрывоопасных газов.   /3.//Состав лаборатории(центра/отдела/отделения) с фотографиями./   /4.//Оборудование, методики, компетенции./ Молекулярный уровень
  1. Разработка методов численного интегрирования статистических сумм (интегралов) для многоатомных (до сотен атомов) нанокластеров с целью сравнения получаемых физических свойств со свойствами рассчитываемыми другими теоретическими методами типа решёточного газа или молекулярной динамики.
  2. Развитие новых теоретических направлений по развитию моделирования процессов нуклеации и агрегации на основе микроскопических моделей, которые позволяют преодолеть отсутствие подробной экспериментальной информации о поведений малых аэрозолей в атмосфере и в потоках в стесненных условиях, реализующихся в фильтрах и мембранах.
В последнее время появились новые методы расчета поверхностного натяжения жидких аэрозолей и степени равновесности состояний твердых аэрозолей, определяющих их механическую стабильность в процессах агрегации и формирования вторичных центров зародышеобразования. Эти методы позволят повысить надежность и точность прогноза распределений аэрозолей по размерам и оценить степень эффективности существующих и новых разрабатываемых материалов защиты от радиоактивных и токсичных аэрозолей.
  1. Развитие методов моделирования микронеоднородных систем в динамических режимах, включая исследовании о влияния размерных эффектов в кристаллитах сплавов разного размера, из которых формируется твердая фаза сплавов, на их механические и термодинамические характеристики. Данная тематика рассматривает главный вопрос - как влияют на указанные свойства образующиеся при затвердевании кристаллы наносплавов разного состава и размера. В дальнейшем эта техника будет обобщена для нанокомпозитов из сплавов и оксидов, и в полимерах.
Надмолекулярный уровень - мезошкала Разработка методов моделирования сильнонеравновесных процессов, в том числе и в экстремальных условиях. Главное - учет кинетической эволюции неравновесной парной функции распределения от своего равновесного значения. Построенные уравнения позволят получить новые диссипативные коэффициенты в зависимости от интенсивности потоков. Области приложений: механохимия, химические реакции в условиях сильного перемешивания, сонохимия (в том числе, кавитация ), реологические и деформационные процессы под влияем внешних сил, акустические явления в динамике и т.д. Одним из направлений данной работы является построение физической модели процессов турбулентности, что в перспективе позволит сформулировать теорию плазмохимических процессов. Группа сенсорных материалов Для исследования структуры синтезированных пленок используются современные методы физико-химического анализа, а именно методы рентгеновской дифракции, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии, а также лазерной КР-спектроскопии. Работы проводятся на современных приборах. Для исследования сенсорных свойств синтезированных материалов нами разработана и собрана установка для измерения электрических характеристик, в частности, сопротивления сенсора в потоке воздуха, содержащего различные концентрации анализируемых веществ. Постоянная времени, характеризующая скорость отклика установки на изменение концентрации вещества в воздухе, составляет менее 1 сек. Таким образом, установка позволяет определять не только максимальную чувствительность сенсора Smax (отношение сопротивления в чистом воздухе к сопротивлению в воздухе с определенной концентрацией анализируемого вещества) в стационарных условиях, но и, с высокой точностью, время достижения Smax (время сенсорного отклика).     /5.//Объекты исследований./ Области практического применения - Разработка и уточнение молекулярных силовых полей по термодинамическим данным - Нанокластерные технологии (формирование новой фазы, аэрозоли, суспензии и т.д.) - Моделирование межфазных равновесий - Изучение поверхностных явлений (адсорбция, хроматография, сегрегация сплавов) - Теоретическое описание термодинамических характеристик воды - В исследовании новых структур экспериментальными методами: помощь в анализе и расшифровке структур по неполным дифракционных данным, особенно применительно к условиям аномальных температур и высоких давлений. - Разработка и уточнение молекулярных силовых полей для моделирования строения и свойств биологических макромолекул; - В термохимии: теоретическая оценка теплот сублимации термически нестабильных молекулярных веществ; прогнозирование иерархии стабильности полиморфов
  • В нанотехнологиях: теоретический поиск и прогнозирование новых классов твердотельных молекулярных структур для индустрии электролюминисцентных материалов (нанофотоника)
- В разработке новых лекарственных препаратов (в т.ч. для поиска отечественных заменителей импортных лекарств) , а именно - прогнозирование новых полиморфов известных лекарств с целью их последующего синтеза и патентования.
  • В разработке новых высокоэнергетических материалов (ВВ и ракетные топлива): прогнозирование высокоплотных веществ, термохимия с учетом кристаллического состояния
  • В преподавании: в качестве интеллектуального пособия («нанотренажер») при обучении студентов и преподавателей физической химии основам теории межмолекулярных взаимодействий и природе кристаллического и жидкого состояний.
Группа сенсорных материалов. В течение последних нескольких лет проводились работы по выяснению влияния различных факторов, в частности, количественного и качественного состава композита, температуры, концентрации анализируемых газов на электрофизические свойства (проводимость и сенсорный отклик) бинарных сенсорных композитов, состоящих из оксидов олова, индия, цинка и церия.   /6.//Участие в проектах./ Работы по грантам РФФИ 2015-2016 Тема 1948: Молекулярная теория «малых тел», реализующихся в адсорбционных системах и объемной фазе (Товбин Ю.К.) Цель проекта: разработка молекулярно – кинетической теории малых тел, находящихся в жидком и твердом состояниях в паровой фазе внутри пористых материалов с произвольными типами стенок, и в объемной фазе для самосогласованного описания их термодинамических и теплофизических характеристик в широком диапазоне температур и давлений. В настоящее время такая теория отсутствует. Тема 1963: Учёт колебательных движений в термодинамических функциях твёрдых и жидких однокомпонентных систем (Титов С.В.) Цель проекта: Разработка самосогласованных методов расчёта и моделирования термодинамических функций однокомпонентных веществ, включая молекулы воды, находящихся в твёрдом и жидком состояниях, в объёмной фазе и на границе раздела фаз с целью априорных расчетов физико-химических свойств. Тема 1962: Разработка методов теоретического прогнозирования кристаллических структур органических материалов с заданными физическими свойствами (Дзябченко А.В.) Цель проекта: Разработка методологии , алгоритмов расчета, компьютерных программ и конкретных численных моделей для предсказания кристаллической упаковки и конформации органических веществ, а также для вычисления производных от структуры физико-химических свойств (плотность вещества, теплота сублимации, модули упругости, иерархия стабильности полиморфов) при обычных условиях и при высоких давлениях. Группа сенсорных материалов. Сотрудники группы сенсорных материалов регулярно участвуют в выполнении грантов РФФИ. В последние годы проводились работы по грантам: 14-07-00251 «Наноструктурированные системы на основе полупроводниковых многокомпонентных металлоксидов для высокочувствительных и селективных сенсоров» (рук. Г.Н. Герасимов); 15-07-01162 «Влияние условий приготовления, размера наночастиц и состава смешанных полупроводниковых металлоксидных наноструктурированных материалов на их структуру и сенсорные свойства» (рук. В.Ф. Громов). Ранее проводились работы по гранту IPP.     /7.//Награды./ /8.//Публикации./ Результаты, полученные при исследовании молекулярного уровня и фликкер-шумовой спектроскопии за период с 2001 года, опубликованы в 110 научных публикациях в ведущих отечественных и зарубежных журналах, в том числе 5 монографиях.
  1. С. Ф. Тимашева. Фликкер-шумовая спектроскопия. М. Физматлит, 2007. 248 с.
  2. Г. М. Островский, Н. Н. Зиятдинов, Т. В. Лаптева, Оптимизация технических систем, Москва, Изд. «КноРус», 2012. 421 стр.
  3. Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Г.М. Островский, Новые подходы к проектированию химико-технологических процессов, аппаратов и систем в условиях интервальной неопределённости. Москва. Изд. «Спектра». 2012. 343с.
  4. Товбин Ю.К. Молекулярная теория адсорбции в пористых телах. Москва. Физматлит, 624 с.
Группа сенсорных материалов. Результаты, полученные при исследовании различных характеристик сенсорных материалов в период с 2001 года, опубликованы в 70 научных публикациях в ведущих отечественных и зарубежных журналах, в том числе 5 монографиях. На метод получения высокоэффективных сенсорных материалов получены 2 патента США: Patent no: U.S. 8,338,206 B2 issued Dec. 25, 2012. L.I. Trakhtenberg, G.N. Gerasimov, V.F. Gromov, V.I. Rosenberg. Gas sensitive materials for gas detection and method of making. Patent no: U.S. 8,501,269 B2 issued Aug. 6, 2013. L.I. Trakhtenberg, G.N. Gerasimov, V.F. Gromov, V.I. Rosenberg , L. Ferguson. Sensitive materials for gas sensing and method of making same.