AP08855738 «Структурно-фазовые превращения и релаксационные процессы в тонких пленках криовакуумных конденсатов стеклообразующих органических молекул».
Актуальность темы
Цель гранта
Как правило, упорядоченные структуры вида кристаллической решетки относятся к идеализированным объектам, а реальные объекты — кристаллы с примесями, сплавы и аморфные твердые тела и т.д. являются неупорядоченными системами. В последнее время именно структура и свойства неупорядоченных конденсированных систем все больше привлекает внимание исследователей. Среди них стеклообразные состояния, являющиеся твердым по всем внешним признакам и отличающиеся от кристаллического, стали объектами пристального внимания ученых материаловедов. А выявление механизмов стеклообразования и релаксаций является фундаментальным вопросом физики, что подчеркивает Нобелевский Лауреат Филипп Андерсон: «Самой глубокой и интересной нерешенной проблемой в физике твердого тела является теория о природе стекла». Возможность понимания этих вопросов дает изучение криоконденсатов стеклообразующих молекул, полученных из газовой фазы.
Целью проекта является изучение процессов образования и свойств тонких пленок, стеклообразующих криовакуумных конденсатов органических молекул, а также термостимулированных структурно-фазовых превращений и изотермических релаксационных процессов в конденсированных при низких температурах образцах. Объектами исследований являются спирты (CH3OH, C2H5OH и др.) и фреоны (CCl4, СF3-CFH2, CHF2-CHF2 и др.).
Состав исполнителей
Ожидаемые результаты
Модернизация вакуумной системы низкотемпературной экспериментальной установки.
Октябрь 2020 г.-декабрь 2020 г.
Исследовать влияние условий формирования криопленок на их оптические и теплофизические свойства образующихся пленок. |
январь 2021 г.-до 15 ноября2021 г.
Изучить кинетические закономерности образования и влияние температуры и давления конденсации на плотность и коэффициенты преломления криоконденсатов спиртов и фреонов. |
январь 2021 г.-июнь 2021 г.
Исследовать зависимость поляризуемости и параметра кинетической стабильности и провести ИК исследования стеклообразных состояний спиртов и фреонов от температуры и давления.
июнь 2021 г.-15 ноября 2021 г.
Исследовать влияние внешних воздействий на кинетические параметры образующихся стеклообразных пленок.
январь 2022 г.-15 ноября 2022 г.
Исследовать термостимулированные структурно-фазовые превращения и изотермические релаксационные процессы в тонких пленках криовакуумных конденсатов спиртов (метанол, этанол и др.) и фреонов (CCl4, F134, F134a и др.)
январь 2022 г.-июнь 2022 г.
Определить влияние скорости роста и температуры криоконденсации спиртов и фреонов на значения температур стеклоперехода, а также на параметры кинетической стабильности образующихся стеклообразных состояний. Определить влияние анизотропии строения молекул на релаксационные процессы и температуры.
июль 2022 г.-ноябрь 2022 г.
Достигнутые результаты
по годам
2020
Вакуумная система низкотемпературной экспериментальной установки была модернизирована путем дооснащения современным оборудованием, вычислительной техникой и программным обеспечением, позволяющие проводить изучение фундаментальных характеристик, касающихся процессов образования и свойств криоконденсированных стеклообразующих систем при низких температурах.
Дооснащение экспериментального комплекса турбомолекулярным насосом типа Turbo-V-301 в паре с сухим спиральным насосом SH-110, который соединен с пространством камеры шиберным вакуумным затвором CFF-100 позволил улучшить предельный вакуум на два порядка. И использование широкодиапазонного датчика давления СС-10 с контроллером позволил увеличить точность измерения значения давления в рабочей камере низкотемпературной вакуумной установки.
Разработан алгоритм поиска течи в вакуумной низкотемпературной камере с использованием квадрупольного анализатора остаточных газов масс-спектрометром серии Extorr XT 100.
Общие характеристики вакуумного экспериментального комплекса:
— интервал рабочих давлений в камере – 10-9 Торр ¸ 103 Торр;
— интервал рабочих температур поверхности конденсации – от 12 К до 200 К;
— спектральный диапазон измерений – 400 см-1 ¸ 4200 см-1
— неопределенность измерения параметров вакуума — 10 %
— анализ массового состава от 1 а.е.м. ¸ 100 а.е.м.
2021
— Исследовано влияние условии формирования криопленок на их оптические и теплофизические свойства образующихся пленок.
— Получены данные о взаимосвязи температуры и скорости конденсации и свойства пленок.
— Получены колебательные спектры при различных режимах осаждения.
Получены данные о взаимосвязи температуры и скорости конденсации. Экспериментальная зависимость скорости осаждения от температуры на примере пленок СCl4 представлена на рис.1. Проведен ряд экспериментов с разными температурами осаждения, в результате которых наблюдается линейное увеличение скорости осаждения с понижением температуры конденсации при постоянном давлении P=1,4*10^-5 Торр. Таким образом, экспериментальным путем найдена оптимальная температура осаждения для заданных условий.
Рисунок 1. Зависимость скорости осаждения пленок криоконденсатов CCl4 от температуры конденсации при давлении P=1,4*10^-5 Торр.
Рис.2 Колебательные спектры криоконденсатов смеси этанола и азота в различных концентрациях при температуре T=16K. Толщина образцов в соответствии с концентрациями этанола: 12,5 мкм (С = 0,5%), 10 мкм (С = 3%), 7,5 мкм (С = 5%), 5 мкм (С = 10%), 4,5 мкм (С = 24%), 4 мкм (С = 50%), 3,5 мкм (С = 70%), 3 мкм (С = 90%).
Получены колебательные спектры исследуемых веществ при различных режимах осаждения. На рис.2 приведен колебательный спектр смеси C2H5OH с N2 при различных концентрациях. Как показано на рис.2 наблюдается увеличение толщины пленок с уменьшением концентрации спирта в смеси. На основании полученных ИК спектров сделан вывод о присутствии в матрице кластеров различных размеров. Увеличение концентрации этанола в матрицах приводит к росту числа больших кластеров.
— Изучены кинетические закономерности образования и влияния температуры и давления конденсации на плотность и коэффициент преломления криоконденсатов спиртов и фреонов.
— Определены зависимости скорости роста и зависимости плотности и коэффициентов преломления конденсатов спиртов и фреонов от температуры и давления криоосаждения.
Получены значения скорости роста конденсатов спиртов и фреонов от давления осаждения при постоянной температуре T=12 K. На рис. 3 отображены экспериментальные данные, полученные для криоконденсатов CCl4 с целью установления оптимального давления конденсации.
Рисунок 3. Зависимость скорости осаждения конденсатов CCl4 от давления конденсации при температуре T=16K.
Изучены кинетические закономерности образования и влияния температуры и давления конденсации на плотность и коэффициент преломления криоконденсатов спиртов и фреонов. Коэффициенты преломления Freon 134a, рассчитанные при разных температурах осаждения, отображены на рис.4. Как видно из рис.4, наблюдается постепенное увеличение коэффициента преломления в диапазоне температур 16-50К. При этом после 60К влияние температуры на значения коэффициента преломления становится незначительным. Предполагается, что такое поведение объясняется фазовыми переходами между различными структурными состояниями исследуемого вещества. Для диапазона 16-50К характерна аморфная структура образца и высокая степень пористости, что и приводит к наблюдаемому росту исследуемого параметра. Тогда как в диапазоне 60-80К может наблюдаться переход в пластический кристалл с ГЦК решеткой, с более плотной упаковкой молекул, вследствие чего наблюдается выход на плато. Выше 80К может быть получен моноклинный кристалл в связи с чем обнаруживается незначительный рост коэффициента преломления. Изменение скорости осаждения (посредством давления конденсации) приводит к скачкообразному изменению коэффициента преломления до 1.33 при Pконд=4*10^-5 Торр.
Рисунок 4. Зависимость коэффициента преломления от температуры конденсации для криоконденсатов Freon134a при давлении конденсации Pконд=*1.3-1.4*10^-5 Торр.
Плотность, кг/м3 | Pконд, Торр | Тконд, К |
939,778 | 0,000025 | 16 |
911,099 | 0,000031 | 16 |
1155,268 | 0,00004 | 16 |
939,302 | 0,000055 | 16 |
943,315 | 0,000015 | 30 |
1433,985 | 0,000015 | 50 |
Таблица 1. Значения плотности Freon 134a в зависимости от температуры и давления конденсации.
В настоящей работе был проведен твердофазный эксперимент при давлении Р=10-5 Торр и температуре осаждения Т=12 К. Коэффициенты преломления и толщины пленок исследуемых веществ были измерены методом двухлучевой лазерной интерферометрии. Плотность криоконденсатов в диапазоне температур от Т=12 К до Т=50 К была получена в условиях измеренной толщины пленок и массы, рассчитанной с помощью уравнения идеальных газов из откалиброванного количества газа. Согласно полученным данным давление конденсации при постоянной температуре осаждения T=12K существенно не влияет на плотность исследуемого вещества.
Публикации
- - Golikov, O. Y.; Ramos, M. A.. Methods of the development of the architecture of the neural networks for identification and authentication of individuals. Physical Sciences and Technology, [S.l.], v. 7, n. 3-4, p. 44-49, dec. 2020. ISSN 2409-6121, https://doi.org/10.26577/phst.2020.v7.i2.07.
- - Yerezhep, D.; Tychengulova, A.; Sokolov, D.; Aldiyarov, A. A Multifaceted Approach for Cryogenic Waste Tire Recycling. Polymers 2021, 13, 2494. https://doi.org/10.3390/polym13152494
- - "Aldiyarov A, Sokolov D, Akylbayeva A, Nurmukan A, Tokmoldin N. On thermal stability of cryovacuum deposited CH4+H2O films. // Физика низких температур, 2020, т. 46, No 11, c. 1318–1322. Q4, П-14%, CS-0.35, SJR 2018 - 0.196
- On thermal stability of cryovacuum deposited CH4+H2O films Aldiyarov, A., Sokolov, D., Akylbayeva, A., Nurmukan, A., Tokmoldin, N. Low Temperature Physics, 2020, 46(11), стр. 1121–1124"
- - Yerezhep D, Aldiyarov A, Sokolov D, Nurmukan A. Computer simulation of thermal expansion of the charge of liquid nitrogen in the process of heat load Computer simulation of thermal expansion of the charge of liquid nitrogen in the process of heat load 2020;1661:012091. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1661/1/012091.
- - Yerezhep D, Aldiyarov A, Sokolov D, Nurmukan A, Krutskikh B, Amangeldieva Z. Mathematical modelling of the cryogenic-dynamic start-up process in a pneumatic installation 2020;1661:012092. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1661/1/012092
Информация для потенциальных пользователей
Влияние полученных результатов на развитие науки и технологий и ожидаемый социальный и экономический эффект. Понимание механизмов формирования неупорядоченных конденсированных сред и релаксационных процессов, протекающих в них, является одной из приоритетных задач современной физики и физической химии. Получение новых принципиальных результатов в этом направлении позволит более осознано подходить к выбору технологий получения материалов с заданными свойствами. Данный проект решает эти задачи применительно к низкотемпературным условиям, что во многом обусловлено развитием космических технологий. Полученные в проекте результаты должны содействовать пониманию физических основ формирования и релаксаций стеклообразных состояний веществ в условиях глубокого вакуума и низких температур.
Важной социальной задачей в национальном масштабе является подготовка высококвалифицированных научно-педагогических кадров. Лаборатория традиционно привлекает к выполнению проектов молодых ученых, докторантов, магистрантов и бакалавров. В настоящем проекте также планируется привлечь более 50% подающих надежды молодых исследователей. На основе проведенных ранее исследований в лаборатории защищена одна кандидатская диссертация, четыре диссертации доктора PhD, одна диссертация PhD защищена в декабре 2019 года и две диссертационные работы в настоящее время выполняются и готовятся к защите в 2021 году. Ежегодно по материалам, выполняемых проектов в лаборатории, проходит подготовки магистранты и бакалавры факультета. По предлагаемому проекту планируется подготовка еще одной PhD-диссертации, трех магистерских диссертаций и шесть дипломных работ бакалавров.
Russian
English
Kazakh