AP08855681 «Исследования процессов криозахвата и десорбции линейных молекул в пленке воды при низких температурах»

Цель гранта и актуальность темы

Комплексное изучение процессов аккумуляции парниковых газов слоями воды при конденсации, а также термостимулированного взаимодействия криозахваченных молекул. Исследования направлены на выявление природы образования аморфных структур, условий их существования и взаимосвязи с другими эффектами, сопровождающими криоконденсацию и десорбцию газов при низких температурах. Объектами исследований являются криоконденсаты воды с парниковыми газами.

Вследствие неменуемого роста парниковых газов в атмосфере Земли в последние годы на первый план вышла экологическая проблема, наносящая ущерб окружающей среде. По мимо производства парниковых газов человеком имеется угроза со стороны природных выбросов CO2. Внутренние воды являются очень многочисленными и важными путями для экспорта земного углерода (C) в северных высокоширотных ландшафтах вечной мерзлоты, где хранится ~ 50% органического углерода в почве.

Установление признаков присутствия криозахваченных линейных молекул слоями воды при конденсации. С целью выявления фундаментальных принципов взаимодействия воды с молекулами диоксида углерода, оксида азота(I) при низких температурах. Изучение особенности термостимулированного взаимодействия и условия аккумуляции парниковых газов, иммобилизованных в льдах воды. Метод криогенного вакуумного осаждения позволит упростить вопросы смешивания компонентов, повысить эффективность систем поглощения парниковых газов и поможет решить проблему по уменьшению количества экологически вредных выбросов

Состав исполнителей

Соколов Дмитрий Юрьевич

55318960400, N-4848-2014

Коршиков Евгений Сергеевич

55319247600, N-4876-2014

Аддияров Абдурахман Уалиевич

16201950600, N-4903-2014

Дробышев Николай Степанович

56669743500

Ережеп Дархан

57194012596, D-6983-2017

Нурмукан Аселя Ержумановна

57217033769, AAQ-1836-2020

Тыченгулова Алия Жанаткызы

56648168500, H-5499-2016

Голиков Олег Юрьевич
Коломийцева Александра Вячеславовна
Ожидаемые результаты

Оснащение криогенной подложки системой нагревания

Октябрь 2020 г.-декабрь 2020 г.
Криогенная подложка будет оснащена системой нагревания. Будет внедрена система нагрева криогенной подложки. Будут проведены наладочные и юстировочные мероприятия с закупленным оборудованием.

Изучить влияние концентрации, температуры и давления конденсации на коэффициенты преломления и плотность конденсатов воды и углекислого газа, воды и закиси азота.

январь 2021 г.-июнь 2021 г.
Будет изучено влияние концентрации, температуры и давления конденсации на коэффициенты преломления и плотность конденсатов воды и углекислого газа, воды и закиси азота. Будут получены зависимость скорости роста пленки, коэффициентов преломления, плотности конденсатов от концентрации, температуры и давления конденсации.
Изучить влияние концентрации, температуры и давления конденсации на ИК-спектрометрические свойства, конденсатов воды и углекислого газа, воды и закиси азота.
июль 2021 г.-1 ноябрь 2021 г.
Будет изучено влияние концентрации, температуры и давления конденсации на ИК-спектрометрические свойства, конденсатов воды и углекислого газа, воды и закиси азота. Будут определены ИК-спектрометрические свойства конденсатов воды и углекислого газа, воды и закиси азота при различных концентрациях, температурах и давлениях конденсации. Будет опубликована 1 (одна) статья в рецензируемом зарубежном или отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованном КОКСОН).

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);

Провести компьютерное моделирование процессов десорбции линейных молекул из пленки воды.

январь 2022 г.-июнь 2022 г.
Будет создана модель и проведено компьютерное моделирование процессов десорбции линейных молекул из пленки воды.

Исследовать термостимулированные структурно-фазовые превращения и процессы десорбции в тонких пленках криовакуумных конденсатах смеси воды и углекислого газа, воды и закиси азота.

июль 2022 г.-1 ноябрь 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.

Достигнутые результаты

по годам

2020

В результате проделанной работы по оснащению криогенной подложки системой нагревания было выполнено.

  1. Вскрытие вакуумной камеры, произведены замеры всех частей для создания 3D модели.
  2. Проведены исследования по снятым размерам для создания элемента нагревателя.
  3. Выполнены работы по созданию всех необходимых элементов для внедрения и модернизации вакуумной камеры и системы криостатирования.
  4. Осуществлена герметизация камеры. Произведено тестирование и установка компонентов в вакуумную камеру, проведены юстированные мероприятия всех оптических систем. Проведена пуско-наладка всех компонентов универсального вакуумного спектрофотометра.

2021

 — Было изучено влияние концентрации, температуры и давления конденсации на коэффициенты преломления и плотность конденсатов воды и углекислого газа, воды и закиси азота. Были получены зависимость скорости роста пленки, коэффициентов преломления, плотности конденсатов от концентрации, температуры и давления конденсации.

Коэффициенты преломления чистой закиси азота и углекислого газа были измерены и данные были опубликованы в более ранних работах. Эксперименты показали, что при Т = 40 К закиси азота претерпевает переход из кристаллического кубического гранецентрированного состояния (Т> 40 К) в частично ориентационно-ориентированное состояние. неупорядоченное состояние Pa3 (T <40 K). Поэтому возникает интерес, как этот переход влияет на показатель преломления закиси азота. Показатель преломления закиси азота постепенно повышается с температурой от n = 1,254 при 16 К до n = 1,310 при 40 К. Вблизи 45 К он претерпевает резкое увеличение значения от n = 1,315 при Т = 45 К до n = = 1,410 при Т = 52 К. Дальнейшее повышение температуры осаждения от 50 К до 70 К приводит к продолжению постепенного роста. Для значения индекса углекислого газа, наблюдается монотонный рост между 10 К и 55 К перед тем, как переходить к более высоким температурам.

Для различных концентраций воды и углекислого газа, воды и закиси азота различия в коэффициентах преломления достаточно малы. Так для 𝐻2𝑂 (50%+𝐶𝑂2 (50%); 𝐻2𝑂 (75%)+𝐶𝑂2 25%); значения n = 1,286 при 11 К; n = 1,276 при 11 К соответственно. Конденсация проходила при одинаковых давлениях Pконд=5*10-4 Торр, скорости роста пленки при одинаковых температурах осаждения для всех концентраций мало отличались, к примеру для вышеупомянутых концентраций значения равны 0,0176 мкм/с; 0,0180 мкм/с соответственно. Как и предполагалось из предыдущих работ и подтвердилось для данных веществ скорость роста прямо пропорционально зависит от давления. Для температуры осаждения зависимость обратная, то есть при повышении температуры конденсации скорость падает и сильно зависит от состава смесей. Так как при приближении к равновесным значениям давления и температуры одного из компонентов смеси конденсация становится не стабильной.

Для плотности пленки отличия для разных концентраций существенные для 𝐶𝑂2:25%; 15%; превышает остальные измеряемые концентрации (100%, 90%, 50%, 10%) более чем в 4 раза. Но как оказалось при изучении данных пленок именно при 25% и 15% количество молекулярных структур и клатратов, способных удержать молекулу гостя выше температуры насыщенного пара оказалось наибольшим. Образование клатратных соединений объясняет повышение плотности пленки и сочетается с данными масс-спектроскопии и ИК-спектроскопии.

На рисунке представлены данные масс-спектроскопии с температурами выхода углекислого газа из пленки с максимальной плотностью при конденсации.

Масс-спектроскопия смеси воды и 𝐶𝑂2

Публикации

Информация для потенциальных пользователей

Механизмы формирования неупорядоченных конденсированных сред и релаксационные процессы, протекающие 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 задачи экологического направления. Полученные в проекте результаты должны содействовать пониманию физических основ формирования и релаксаций структурных состояний веществ в условиях глубокого вакуума и низких температур.

Реализация данного проекта с привлечением молодых ученых и студентов будет содействовать формированию социальной среды, вовлекающей в себя талантливую молодежь, имеющую склонность к техническим наукам и наукоемким технологиям. Это обстоятельство имеет долгосрочный стратегический эффект, результаты которого проявятся и скажутся на уровне научно-технологического состояния страны.

Огромный опыт в сфере ИК-спектроскопии и криотехнологий позволяет создавать курсы по получению низких температур, высокого вакуума, созданию вакуумных установок, а также по определению состава органических соединений с помощью ИК-спектроскопии.