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

Аддияров Абдурахман Уалиевич

16201950600, N-4903-2014

Соколов Дмитрий Юрьевич

55318960400, N-4848-2014

Коршиков Евгений Сергеевич

55319247600, N-4876-2014

Алдиярова Алия Несипбековна

57194455102

Дробышев Николай Степанович

56669743500

Ережеп Дархан

57194012596, D-6983-2017

Голиков Олег Юрьевич
Исмаил Анель Ғалымжанқызы
Ожидаемые результаты

Модернизация вакуумной системы низкотемпературной экспериментальной установки.

Октябрь 2020 г.-декабрь 2020 г.
Будет модернизирована вакуумная система низкотемпературной экспериментальной установки. Будут проведены работы по обновлению и улучшению вакуумной системы экспериментальной установки.

Исследовать влияние условий формирования криопленок на их оптические и теплофизические свойства образующихся пленок.

январь 2021 г.-до 15 ноября2021 г.
Будет исследовано влияние условий формирования криопленок на их оптические и теплофизические свойства образующихся пленок. Будут получены данные о взаимосвязи температуры и скорости конденсации и свойств пленок. Будут получены колебательные спектры при различных режимах осаждения.

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.
Будут изучены кинетические закономерности образования и влияние температуры и давления конденсации на плотность и коэффициенты преломления криоконденсатов спиртов и фреонов. Будут определены зависимость скорости роста и зависимости плотности и коэффициентов преломления конденсатов спиртов и фреонов от температуры и давления криоосаждения.

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.
Будет иссследована зависимость поляризуемости и параметра кинетической стабильности и проведены ИК исследования стеклообразных состояний спиртов и фреонов от температуры и давления. Используя уравнения Лоренца-Лорентца и Vogel-Fulcher-Tammann будет рассчитана поляризуемость и параметры кинетической стабильности стеклообразных состояний криоконденсатов спиртов и фреонов и будет получена информация о влиянии температуры и давления конденсации на положение и амплитуду полос поглощения. Будет опубликована 1 (одна) статья в рецензируемом зарубежном или отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованном КОКСОН);

Исследовать влияние внешних воздействий на кинетические параметры образующихся стеклообразных пленок.

январь 2022 г.-15 ноября 2022 г.
Будет исследовано влияние внешних воздействий на кинетические параметры образующихся стеклообразных пленок. Будут определены интервалы структурно-фазовых превращений и параметры стеклования образующихся криопленок

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.
Будут исследованы 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.). Будут определены температурные интервалы существования различных структурных состояний, а также значения температур структурных трансформаций криоконденсатов спиртов и фреонов.

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.
Будет определено влияние скорости роста и температуры криоконденсации спиртов и фреонов на значения температур стеклоперехода, а также на параметры кинетической стабильности образующихся стеклообразных состояний. Будет определено влияние анизотропии строения молекул на релаксационные процессы и температуры. Будет определено влияние скорости роста и температуры конденсации на значения температур стеклоперехода и кинетическую стабильность стеклообразных пленок Будет определена степень влияния анизотропии структуры молекул фреона 134 и 134а на релаксационные процессы и на значения температур стеклопереходов. За весь период реализации проекта будут опубликованы не менее 3 (трех) статей в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, входящих в 1 (первый), 2 (второй) либо 3 (третий) квартили в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти); либо не менее 2 (двух) статей в рецензируемых научных изданиях, входящих в 1 (первый) либо 2 (второй) квартили в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 65 (шестидесяти пяти); либо не менее 1 (одной) статьи в рецензируемом научном издании по научному направлению проекта, имеющем процентиль в базе Journal Citation Reports не менее 90 (девяноста) или процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 95 (девяносто пяти);

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

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.