Category: Russian Universities

Подведены итоги совместного конкурса «Рентгеновские, синхротронные, нейтронные методы для решения задач материаловедения». Данный конкурс был организован Новосибирским государственным университетом и Сибирским отделением в рамках реализации исследовательской программы (проекта) «Научное обоснование и создание инфраструктуры на основе использования синхротронного излучения для диагностики функционально-градиентных материалов». В нем приняли участие 29 проектов по нескольким актуальным научным направлениям, в частности, новым и адаптированным методикам диагностики структуры фазового состава функционально-градиентных материалов, а также материалов, получаемых методом электронно-лучевого аддитивного производства с использованием синхротронного излучения, в том числе времяразрешенным методикам исследования эволюции структурно-фазового состава и мониторингу скоростного импульсного ударного воздействия. Также представленные проекты затрагивали аппаратно-техническое оснащение экспериментальных станций на существующей синхротронной инфраструктуре (СЦСТИ) для дальнейшей их адаптации на вводимом в эксплуатацию источнике СИ поколения 4+ (ЦКП СКИФ). Также в молодежных проектах были представлены результаты комплексных исследований структуры и свойств конструкционных материалов, металлов, сплавов, получаемых методом электронно-лучевого аддитивного производства с использованием синхротронного излучения. Некоторые работы были посвящены разработке программного обеспечения, новых подходов и алгоритмов обработки экспериментальных данных, полученных с использованием синхротронного излучения.

Проекты оценивались по десятибалльной шкале. Проводили экспертизу конкурсных работ и выставляли оценки ведущие специалисты Сибирского отделения РАН, научно-исследовательских институтов, а также Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов». Конкурсная комиссия работала под председательством заместителя председателя СО РАН, научного руководителя Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН академика Василия Фомина. По количеству набранных баллов были определены 12 проектов 13 авторов. Обладатели первых шести мест получили разовую финансовую поддержку в размере 180 тысяч рублей, а занявшие 7-12 места — по 120 тысяч рублей.

Дипломы победителям конкурса вручали на заседании Президиума Сибирского отделения РАН. Вручая дипломы победителям, председатель СО РАН академик Валентин Пармон высказал пожелание о том, чтобы их работа была реализована на практике и от имени всего Сибирского отделения Российской академии наук поздравил молодых ученых с победой в конкурсе. Академик Василий Фомин пояснил, что Сибирское отделение РАН выиграло большой грант, в реализации которого принимает участие и НГУ. Он уточнил, что в техническом задании проекта прописан пункт о том, что НГУ будет в течение трех лет на регулярной основе будет проводить конкурсы молодых ученых. Также Василий Фомин подчеркнул важность нынешнего конкурса, тематика которого была связана с их привлечением к будущей работе на ЦКП СКИФ.

— Победившие работы в основном относятся к области развития различных способов диагностики с использованием рентгеновского и синхротронного излучения и некоторым исследованиям материалов с использованием этих методов. Этот конкурс быль организован СО РАН и НГУ в первую очередь для поддержки в подготовке кадров для ЦКП СКИФ, запуск которого состоится в ближайшей перспективе. Соответственно, нам нужны специалисты, владеющие методами исследования различных объектов и способные предлагать новые задачи для СКИФ, — прокомментировал заместитель декана физического факультета НГУ доктор физико-математических наук Сергей Цыбуля.

Разовую финансовую поддержку в размере 180 000 рублей получили проекты:

«Разработка и обоснование методологии in situ рентгеновской диагностики термической стабильности металлокерамических композитов с временным разрешением». Автор проекта — Илья Герцель;

«Разработка дифракционной методики исследования функционально-градиентных материалов на основе никелевых сплавов». Автор проекта — Александр Горкуша;

«Разработка оптической схемы станции «Монокристалл» ЦКП СКИФ для in situ и operando рентгеноструктурного анализа с высоким пространственным и временным разрешением». Автор проекта — Григорий Жданкин;

«Расчеты ключевых параметров генерирующей структуры и проектирование канала вывода ИК-излучения для проекта станции «ИК-диагностика» синхротронного источника СКИФ». Автор проекта — Никита Ташкеев;

«Изучение ударно-волновой сжимаемости политетрафторэтилена с помощью синхротронного излучения». Автор проекта — Артур Асылкаев;

«Разработка методики исследования внутренней структуры и механизмов разрушения наполненного полимерного композита с помощью синхротронного излучения». Авторы проекта — Станислав Лукин и Анастасия Искова.

Разовую поддержку в размере 120 000 рублей получили проекты:

«Цифровой двойник конфокального рентгеновского микроскопа». Автор проекта — Артем Скляров;

«In situ дифракционное исследование процесса восстановления смешанного Mn­Cu оксидного катализатора». Автор проекта — Валерия Коновалова;

«Оптическая схема станции «РФА-Геология» ЦКП СКИФ». Автор проекта — Юрий Хомяков;

«Влияние градиента температуры на структурно-фазовый состав Inconel 939 при селективном лазерном сплавлении». Автор проекта — Арсений Колпаков;

«Изучение параметров неоднородностей и их влияния на чувствительность энергетических материалов методом микротомографии». Автор проекта — Николай Хлебановский;

«Прототип цифрового двойника регулируемой маски фронтенда ЦКП СКИФ». Автор проекта — Дмитрий Шакиров.

Победители конкурса кратко рассказали о своих проектах:

Григорий Жданкин:

— Мой проект посвящен проектированию и расчету оптической станции второй очереди ЦКП СКИФ «Монокристалл». Мне, как его автору, необходимо было понять, какая комбинация оптических элементов наиболее оптимальна для получения пучка синхротронного излучения необходимых размеров и интенсивности. Ее ключевая задача — исследование методом рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов в условиях высоких давлений и низких температур. Такие исследования важны для выявления взаимосвязи структуры исследуемого вещества и его свойств. Понимание этого процесса позволит создавать новые и улучшать существующие лекарства, так как различные полиморфные модификации обладают различными, важными для фармацевтической промышленности, свойствами. Также фотокристаллографические эксперименты в условиях высоких давлений и низких температур важны для создания молекулярных переключателей. Победа в этом конкурсе поможет мне в реализации моего проекта.

Дмитрий Шакиров:

— Новизна нашего проекта по созданию цифрового двойника регулируемой маски фронтенда ЦКП «СКИФ» заключается в том, что вся установка (СКИФ), в том числе его составные части, являются уникальным оборудованием, и на данный момент цифровых двойников такого оборудования не существует. Цифровой двойник регулируемой маски будет частью комплексного цифрового двойника всего ЦКП СКИФ, работы по созданию которого ведутся в ИВМиМГ СО РАН. Цифровой двойник позволит значительно снизить стоимость обслуживания установки, а также даст возможность обучать персонал без вреда физическому изделию. С помощью цифрового двойника можно будет проводить виртуальные эксперименты и определять, что будет с установкой в различных, в том числе и аварийных, ситуациях. Главной задачей в рамках достижения поставленной цели нашего проекта является создание и обучение нейросети, которая будет основой цифрового двойника регулируемой маски. Нейросеть мы решили использовать, чтобы иметь возможность воспроизведения виртуальных экспериментов в режиме реального времени.

Станислав Лукин:

— Представленный мною проект заключается в подготовке образцов дисперсно-наполненного полимерного композита и проведении предварительных исследований их механических свойств с учетом межфазного слоя в области контакта матрицы и частиц наполнителя. По результатам проведенных исследований будет разработана предварительная схема эксперимента на станции источника СИ по in-situ исследованию механизмов разрушения и изменения внутренней структуры в подготовленных образцах при одноосном растяжении. Дальнейшая реализация эксперимента на станции источника синхротронного излучения позволит характеризовать изменения свойств дисперсно-наполненных полимерных композитов при их механическом нагружении, а, следовательно, изменение свойств деталей из данных материалов при их эксплуатации.

Артур Асылкаев:

— В рамках проекта ЦКП СКИФ к концу 2025 года будет смонтирована станция 1-3 «Быстропротекающие процессы» для исследования таких явлений, как распространение ударных  или детонационных волн в среде, поэтому важно разработать методику с применением синхротронного излучения для изучения ударно-волновой сжимаемости инертных материалов, таких как политетрафторэтилен (фторопласт). Учитывая широкое использование инертных материалов (в том числе в самолетостроении), необходимо исследовать их реакцию на сверхвысокие давления (которые можно получить с помощью взрывчатых веществ). Практическая значимость моей работы заключается в получении динамики плотности фторопласта при высоких ударно-волновых нагрузках, ведь именно синхротронное излучение, в отличие от традиционных методов, позволяет получать динамику процесса.

Александр Горкуша:

— Мой проект посвящен разработке дифракционной методики для исследования функционально-градиентных материалов на основе никелевых сплавов. Его новизна заключается в адаптации традиционной схемы рентгенографического анализа к специфическим объектам – рельефным образцам с неровной поверхностью, где классические подходы часто дают значительные ошибки. Важность проекта состоит в создании лабораторной методики, которая позволит с высокой точностью определять параметры кристаллической решётки и проводить количественный фазовый анализ, что критически важно для разработки и контроля новых материалов.

Илья Герцель:

— Термическая стабильность является фундаментальным свойством, определяющим надежность и долговечность материалов в различных отраслях промышленности. Моя методика позволяет благодаря синхротронному излучению поставить эксперимент приближенный к условиям эксплуатации материалов (термическое нагружение материала с временным разрешением). Таким образом для реальных рабочих изделий можно определить температурный диапазон их работы, до того, как они будут переданы в эксплуатацию. Сейчас мало развита, как сама методология экспериментов, так и программное обеспечение для обработки данных, данные проблемы в будущем будут решены в рамках выполнения проекта.

Победе в данном конкурсе очень рад, поскольку теперь появляется возможно для развития предлагаемых методик на уникальной установке СКИФ.

Юрий Хомяков:

— Название моего проекта — «Оптическая схема станции «РФА-Геология» ЦКП СКИФ». Станция «РФА-Геология» второй очереди на данный момент является единственной запланированной станцией ЦКП СКИФ с сильнопольным шифтером (8 Тл) в качестве вставного устройства. Предполагается, что она будет функционировать в диапазоне энергий ~40-120 кэВ при поперечных размерах пучка СИ от ~10 мкм до ~10 см. На станции будут реализованы следующие методы: энергодисперсионная дифракция, микродифракция, микро-РФА (в т.ч. в конфокальной схеме), а также компьютерная томография.

Большая глубина проникновения жесткого рентгеновского излучения с энергией квантов порядка 100 кэВ открывает широкие перспективы для геологических исследований, в т.ч. исследований природных материалов, позволяя проводить недеструктивный анализ плотных макроскопических образцов (минералов, расплавов), содержащих заметные концентрации элементов с высоким атомным номером. В число таких образцов входят, например, мантийные ксенолиты (в т.ч. алмазоносные), а также фрагменты пород щелочных комплексов с которыми связаны месторождения редких и редкоземельных металлов.

Комбинация доступных на станции «РФА-Геология» методов в жестком рентгеновском диапазоне позволит визуализировать внутреннее строение образцов пород и пространственное распределение минеральных фаз, идентифицировать индивидуальные, в т.ч. новые, минералы, определять взаимную ориентировку кристаллических зерен. Кроме того, станция будет использоваться для исследования структуры и физических свойств мантийного вещества, определения фундаментальных констант и P-V-T уравнений состояния кристаллических веществ, жидкостей и флюидов, изучения кинетики протекания химических реакций in situ при высоких давлениях и температурах.

Целью исследования является разработка согласованной рентгенооптической схемы станции «РФА-Геология» для использования СИ в жестком диапазоне. В рамках исследования будут решены следующие задачи: обоснованный выбор и оптимизация вставного устройства; выбор оптической схемы, согласование рентгеновской оптики с источником, описание аппаратно-технологического оснащения станции; рентгенооптический расчет.

Результаты исследования войдут в концептуальный проект станции «РФА-Геология», на основании которого будет разработана техническая документация и изготовлено уникальное научное оборудование.

Инженер обсерватории «Вега» НГУ Михаил Маслов запечатлел комету C/2025 A6 Lemmon, которую пока можно увидеть только в любительский телескоп рано утром. Она станет одним из самых ярких астрономических событий осени: максимум ее яркости придется на конец октября — начало ноября.

Комета была открыта сравнительно недавно: 3 января 2025 года в обсерватории Маунт-Леммон (США), отсюда и получила свое название. Она является долгопериодической: орбитальный период в настоящее время составляет 1369 лет. Дата прохождения перигелия (минимального расстояния орбиты кометы до Солнца) — 8 ноября 2025 года, значение перигелийного расстояния — 0,53 астрономической единицы. 

— Сейчас оценки яркости по данной комете пересмотрены в сторону увеличения: в конце октября — начале ноября ожидается яркость около 4 звездной величины, ранее речь шла о 6 звездной величине. Рост яркости этой кометы с опережением изначального базового прогноза был ожидаем, поскольку комета уже не первый раз проходит около Солнца, то есть, как говорят астрономы, не является «динамически новой». У таких комет самые летучие вещества с поверхности ядра уже в значительной степени испарились при прошлых возвращениях, поэтому такие кометы на подлете к Солнцу показывают сравнительно низкую для своих размеров яркость (поскольку самых летучих веществ сравнительно мало), а потом, ближе к Солнцу, когда начинают плавиться и испаряться более тугоплавкие компоненты ядра, такие как водяной лед, они довольно резко увеличивают яркость, — пояснил Михаил Маслов. 

Комета снималась около 4 утра 19 сентября примерно в 70 км от города Новосибирска на телескоп, фокусное расстояние — 854 мм, светосила — 2.8, общее время съемки — 31 минута. Были удачные погодные условия: несмотря на наличие облаков, они все-таки обходили стороной и не закрывали комету. 

Из других комет, которые можно будет наблюдать осенью с территории России, — это C/2025 К1 ATLAS. Яркость данной кометы также была пересмотрена в сторону увеличения — в октябре-ноябре она ожидается 7 или 8 звездной величины (ранее прогнозы были 9 или 10 звездной величины). Ее можно будет увидеть в любительские телескопы. 

— Недавно было официально объявлено об открытии еще одной яркой кометы осени — C/2025 R2 SWAN, сейчас она уже около максимума своей яркости — 7 звездная величина, но на наших широтах ее пока не видно. Видна она станет примерно с 5-10 октября, к концу месяца и далее в ноябре будет на неплохой высоте, хотя уже и с убывающей яркостью, — рассказал Михаил Маслов. 

Астрономы НГУ советуют астрофотографам заранее готовиться к ярким событиям осени.

— При приближении к Солнцу, как правило, хвост комет становится более протяженным, и возможно расщепление этого хвоста на ионную (газовую, голубовато-зеленую) и пылевую (желтовато-белую) составляющие. У астрофотографов будет возможность запечатлеть эти красивые оттенки хвостов комет на свои камеры, — добавила Альфия Нестеренко, заведующая обсерваторией «Вега» НГУ.

Значительного прорыва в понимании фундаментальных процессов кипения добились ученые Физического факультета Новосибирского государственного университета и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, работая в составе одной из научных групп масштабного международного проекта RUBI (Reference mUltiscale Boiling Investigation). Впервые они наблюдали рост отдельного пузыря при кипении жидкости в условиях невесомости, проходящим на МКС, описали его и создали численные модели его роста. Тем самым исследователи существенно продвинулись в понимании фундаментальных процессов кипения. В ведущих международных журналах опубликованы две статьи, представляющие детальный анализ этих уникальных экспериментов — первая статья, вторая статья. Данные исследования проводились при поддержке Российского научного фонда в рамках грантов №№ 21-79-10357 и 19-19-00695.

Данный международный масштабный проект был реализован на борту МКС международной научной группой под эгидой Европейского космического агентства. Для изучения отдельных пузырьков пара, зарождающихся на перегретой подложке, была создана и доставлена на борт МКС установка многомасштабного кипения Reference mUltiscale Boiling Investigation (RUBI). Провести этот эксперимент на Земле не представлялось возможным, потому что гравитация на нашей планете маскирует ключевые физические механизмы — пузыри быстро отрываются и уносятся силой Архимеда, а естественная конвекция существенно влияет на распределение температуры в жидкости. Благодаря невесомости, МКС стала идеальной «лабораторией», позволившей пузырям оставаться на нагревателе и расти до необычных в «земных» условиях размеров. Она обеспечивает особенно хорошую среду для изучения отдельных пузырьков пара, зарождающихся на перегретой подложке, и задействованных в этом механизмов. Это был первый подобный эксперимент с одиночным паровым пузырем на искусственном центре парообразования в тщательно контролируемых условиях на МКС, когда пузырек растет до больших размеров без отрыва и в отсутствии естественной конвекции.

— Процесс кипения используется во многих промышленных приложениях для устройств преобразования вещества и энергии. Также мы можем наблюдать его и в природе — например, в геотермальных гейзерах или при извержении вулканов. Исследований процесса кипения в науке было проведено огромное множество, но при этом учеными рассматривались интегральные параметры кипения, имеющие решающее значение для инженерных задач. Как элементарный процесс кипения можно рассматривать и рост отдельного пузырька, поэтому для детального изучения механизмов кипения целесообразно сосредоточиться именно на отдельных пузырьках. Ранее в невесомости этого никто не делал ввиду сложности самого процесса. Сложность состоит в том, что физика кипения зависит от многих факторов, и, несмотря на многочисленные длительные исследования, до сих пор нет полного понимания всех многомасштабных явлений. Внести ясность в их понимание могут как раз эксперименты в условиях невесомости. В невесомости пузырьки могут увеличиваться в размерах без преждевременного отрыва. Таким образом, можно наблюдать явления кипения в больших пространственных и временных масштабах с лучшим разрешением. В то же время кипение в условиях невесомости само по себе является предметом исследования, важным для космических миссий, — объяснил старший преподаватель Физического факультета НГУ Федор Роньшин.

Добиться условий, близких к невесомости, можно и на Земле, используя кратковременные платформы невесомости. Изначально ученые использовали наземные сооружения — башни сбрасывания, затем параболические полеты и зондирующие ракеты. Но для исследования образования пузырьков при кипении жидкости этих возможностей было явно недостаточно ввиду того, что условия невесомости создавались лишь на несколько секунд или минут, а в данном случае  требовались более продолжительные отрезки времени, которые достижимы только на Международной космической станции (МКС). Именно здесь благодаря стабильным условиям невесомости существует возможность проводить продолжительные эксперименты. Невесомость обеспечивает особенно хорошую среду для изучения отдельных пузырьков пара, зарождающихся на перегретой подложке, и задействованных в этом механизмов.

— Специально изготовленная установка RUBI была доставлена на МКС 6 лет назад, эксперимент продолжался до 2021 года, а потом ее вернули на Землю. Все это время ученые из пяти международных научных групп могли с Земли наблюдать за его ходом, отслеживать показания приборов и получать данные в режиме онлайн. Полученные результаты еженедельно обсуждались и анализировались. Установка представляла собой герметичную ячейку. В качестве рабочего вещества использовалась диэлектрическая жидкость, используемая для охлаждения электроники — FC-72. Она находилась внутри ячейки. Динамика роста пузырьков визуализировалась с помощью скоростной черно-белой камеры сбоку и скоростной инфракрасной камеры снизу. Также установка была укомплектована контуром циркуляции жидкости, создающим поток. Имелась возможность устанавливать температуру жидкости, давление, тепловой поток на нагревателе, время между активацией нагревателя и лазерным импульсом, который инициирует образование пузырька. Все это было необходимо, чтобы охватить весь диапазон параметров для построения моделей протекания наблюдаемых процессов, — рассказал Федор Роньшин.

Для формирования одиночного парового пузыря на искусственном центре парообразования использовался  кратковременный (20 миллисекунд) импульс лазера. Далее пузырь уже растет под действием джоулева нагрева. Этот процесс и происходил внутри ячейки. Также установку оснастили микротермопарами, которые можно было поместить в различные места камеры, чтобы определить распределение температуры в жидкости. Также была предусмотрена возможность исследовать влияние сдвигового потока, с помощью которого можно было удалять пузыри. Кроме того, в камере имелся электрод, создающий электрическое поле, под действием которого пузырь мог отрываться от подложки (аналог силы Архимеда на Земле). 

— Пока наше исследование сосредоточено на результатах эксперимента по  росту одиночного пузырька, с особым вниманием к влиянию недогрева жидкости (разницы температуры насыщения с температурой жидкости). Оно позволяет лучше понять динамику роста одиночного парового пузырька в условиях невесомости, уделяя особое внимание роли растворенных (неконденсирующихся) газов. Экспериментальные результаты подтверждаются численным моделированием на основе разработанной модели. Некоторые наблюдаемые явления, такие как отсутствие схлопывания пузырька и последующее возобновление его роста, оказались труднообъяснимыми без предположения о наличии неконденсирующихся газов, несмотря на тщательную дегазацию рабочей жидкости. Модель была соответствующим образом модифицирована для проверки такой картины явления, которая включала термокапиллярную конвекцию Марангони, вызванную растворенными газами в жидкости. Мы установили, что в нашем случае наличие даже небольшого количества растворенных газов (~1%) после тщательной дегазации положительно влияет на теплоотдачу за счет того, что перегретая жидкость распределяется вдоль пузырька, движется от нагревателя к верхней части пузыря и он не конденсируется, а продолжает испаряться и растет быстрее. При этом тепло отводится эффективнее, — объяснил Федор Роньшин.

В результате проведения экспериментов на борту Международной космической станции с использованием установки RUBI в сочетании с передовым численным моделированием ученые модифицировали численную модель для учета неконденсирующихся газов и термокапиллярных эффектов, что хорошо согласовалось с экспериментальными наблюдениями. Учет этих факторов устранил расхождения между случаями недогрева. Также исследователи пришли к выводу, что присутствие неконденсирующихся газов внутри пузырька существенно влияет на его выживаемость и динамику роста, обеспечивая сохранение пузырька даже в условиях относительно высокого недогрева, при котором чистые паровые пузырьки схлопнулись бы. Они отметили, что термокапиллярная конвекция, обусловленная градиентами температуры вдоль поверхности пузырька, вызванными наличием неконденсирующихся газов, усиливает тепло- и массоперенос вблизи границы раздела. Это явление способствует интенсификации испарения у основания пузырька и снижает интенсивность конденсации у его вершины, способствуя его устойчивому росту.

— В «земных» условиях влияние растворенных газов в жидкости может подавляться естественной конвекцией. При невесомости этого не происходит и их проявление в целом положительно влияет на процесс роста пузыря. Мы выяснили, что, варьируя содержание растворенных газов в жидкости, можно влиять на процессы формирования и роста пузыря. С помощью этих данных мы сможем прогнозировать процесс роста пузырей в жидкости с любым содержанием растворенных газов в том числе в космосе, — подытожил Федор Роньшин.

Изучение роста пузыря в условиях невесомости без воздействия внешних сил является лишь частью исследования, которая на данный момент завершена. Однако эксперимент RUBI этим не ограничивался. Теперь ученым предстоит исследовать его в более сложных условиях — например, при воздействии электрического поля , при реализации метода удаления пузырей, при разной интенсивности электрического поля. Данных, поступивших с МКС, по мнению Федора Роньшина, хватит еще как минимум на 5 лет работы. А полученные результаты будут иметь как фундаментальное значение для физики тепломассообмена и кипения, так и прикладное — они позволят создать более эффективные системы охлаждения для космических аппаратов и орбитальных станций, где кипение является перспективным методом отвода высоких тепловых потоков в условиях невесомости.