Ученые УрФУ опишут, как выращивать кристаллы определенного размера

Коллектив ученых института естественных наук и математики УрФУ занимается исследованием фундаментальной проблемы теории фазовых переходов. Десять физиков и математиков изучают зарождение и рост кристаллов в переохлажденных жидкостях: пытаются понять, как выращивать кристаллы определенного размера в постоянно меняющихся условиях, чтобы получать определенные свойства этих кристаллов.

Практическое применение исследования огромно. Так, к примеру, зарождение и рост кристаллов контролируют такие процессы, как формирование необходимых свойств высокопрочных сталей, агрегирование в коллоидах и магнитных жидкостях, синтез белка (гормон роста человека), кристаллизация гемоглобина С, кристаллизация белков в сетчатке глаза (отвечает за образование катаракты) и другие.

«С помощью процесса объемной кристаллизации можно изготавливать медицинские препараты: кристаллы можно выращивать в пересыщенном растворе лекарственного средства, — поясняет руководитель проекта Дмитрий Александров. — Одна из актуальных задач — отводить кристаллы определенного размера. Наша задача — описать законы роста кристаллов. Найти эксперименты, сопоставить различные параметры, результаты математических моделей с тем, что наблюдают другие ученые, и выдать рекомендации, как можно выращивать кристаллы. То есть изучить динамические законы зарождения и роста частиц в метастабильной среде».

Одно из направлений исследования — теоретический учет эффекта нестационарного роста зародышей, который обеспечивается флуктуациями различной физической природы.

«Берем кружку с водой, которая всегда содержит примеси, и сильно переохлаждаем жидкость, к примеру, в холодильнике. Аккуратно вытаскиваем — вода жидкая. Потом придаем механическое возмущение, и вода мгновенно замерзает: возникают механические флуктуации — колебания — и на этих флуктуациях происходит очень быстрое рождение кристалликов, — поясняет Дмитрий Александров. — Они растут, взаимодействуют, смерзаются, и весь объем среды замерзает. Когда кристаллик растет в переохлажденной жидкости, он выделяет тепло. Это тепло изменяет распределение температуры вокруг кристаллика, которое нестационарно. Такой эффект нестационарного роста ансамбля частиц раньше не учитывался в теории зарождения и роста. Это одно из направлений теории, которое необходимо учитывать, поскольку от эволюции отдельных кристаллов зависит их финальное распределение по размерам».

Отметим, проект научного коллектива называется «Кинетика фазовых переходов в метастабильных системах: нуклеация и рост кристаллов с приложениями к кристаллизации биохимических соединений». На исследование этой тематики коллектив получил грантРНФ, который рассчитан до 2020 года.

Источник http://rscf.ru