Важнейшие достижения Центра

 

 Важнейшие достижения 2023 года

 

Тема: «НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С УНИКАЛЬНЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ»

Достижение 1

Изучено влияние метода синтеза нанокомпозитов ZnO-In₂O₃ на их структуру, проводимость и сенсорные характеристики при детектировании малых концентраций водорода. Для получения композитов использовали смешивание нанопорошков, импрегнирование и гидротермальный методы. Такие способы позволяют получать нанокомпозиты с различной морфологией, структурой и фазовым составом, во многом определяющими их проводящие и сенсорные свойства (Рис. 1). Установлено, что композиты, приготовленные методом импрегнирования, обладают максимальным сенсорным откликом на водород. Исследования в этой области нацелены на создание высокоэффективных и селективных сенсоров для обнаружения токсичных и взрывчатых веществ

Результаты работы опубликованы: [https://doi.org/10.3390/mi14091685, https://doi.org/10.3390/chemosensors11060320].

 

 

 

Рис.1

Достижение 2

 

Поиск новых материалов с высокой протонной и кислород-ионной проводимостью имеет большое значение для развития твердотельной ионики. Изучена структура, фазовые переходы и ионная проводимость чистых и Nd-содержащих композитов на основе γ-La₆W₂O₁₅ и псевдоромбоэдрических фаз La_14-xNd_xW₄O₃₃ (x = 12, 14) (Рис.1). Nd-содержащие композиты обладают протонной проводимостью, тогда как псевдоромбоэдрические вольфраматы La_14-xNd_xW₄O₃₃ (x = 12, 14) - кислород-ионные проводники (σ_ion ~ 4×10^-4 См/см при 700 °С). По данным ДСК и СЭМ, фазовый переход вблизи 910 °С в композитах, приводящий к образованию трещин в керамике, подавляется введением неодима.

Результаты работы опубликованы: DOI 10.1016/j.ijhydene.2023.03.259

 

 Рис.1

 

 

Достижение 3

 

Проведено математическое моделирование электронной структуры полупроводниковых наночастиц и сенсорных свойств датчиков на их основе (Рис. 1). Определены распределения электронной плотности по радиусу наночастицы (a. для различных температур T (черная кривая – 550 К, красная – 600 К и синяя – 630 К) при радиусе наночастицы 𝑅₀ = 37 нм; b. для различных 𝑅₀ (черная кривая – 17 нм, красная – 27 нм, синяя – 37 нм) при T = 550 К. На вставке электронная плотность вблизи края наночастицы) и количество электронов, захваченных адсорбированными атомами кислорода на поверхности наночастиц – c. Расчеты сопоставлены с экспериментальными данными по сенсорному эффекту на водород (концентрация водорода 1000 ppm) – d. 1 – сенсорная система In₂O₃, 2 – смешанная система 3%CeO₂ – 97%In₂O₃

Результаты работы опубликованы: [https://doi.org/10.3390/math11092214].

 

Рис.1

 

Тема: «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ»

Достижение 1

 

Во времяпролетных масс-спектрометрах в качестве детектора ионов используются микроканальные пластины (MCP) для регистрации ионов и преобразователь (TDC) для определения времени пролета ионов в масс-анализаторе. Значительный разброс амплитуд импульсов для ионов одной массы приводит к ошибке в определении времени их пролета (рисунок 1). Этот эффект ограничивает разрешение масс-спектрометра, которое является важнейшей характеристикой прибора.

Разработан оригинальный метод определения времени пролета ионов посредством одновременной регистрации в параллельных каналах TDC переднего и заднего фронтов импульса (t1,t2); время пролета ((t1+t2)/2) не зависит от амплитуды импульса и используется при построении спектра.

Предложенный метод позволил увеличить величину массового разрешения времяпролетного масс-спектрометра с 35000 до 55000 FWHM (рисунок 2), что соответствует мировому уровню для приборов данного типа.

 Результаты работы опубликованы: [https://doi.org/10.1063/5.0160716]

Рис. 1

Риc. 2

 

 

Достижение 2

 

Реакции ион-ионной рекомбинации являются важнейшей составной частью многих процессов в плазменных или высокотемпературных газовых средах как естественного, так и искусственного происхождения, в том числе в процессах преобразования энергии. Разработан метод исследования детальной динамики элементарных процессов бимолекулярной рекомбинации атомарных ионов. Впервые с помощью предложенных в наших работах поверхностей потенциальной энергии исследована детальная динамика бимолекулярной рекомбинации и обнаруженной ранее бимолекулярной рекомбинации ионов щелочных металлов и галогенов в среде благородного газа. Пример траектории такого процесса показан на рисунке.

 Результаты работы опубликованы: [https://doi.org/10.31857/S0207401X2312004X]

Траектория реакции ArCs⁺ + F^– ® CsF + Ar при энергии столкновения 1.4 эВ. Здесь 1 — потенциал взаимодействия ионов Cs⁺ и F^–, 2 — энергия иона F^–, 3 — потенциал взаимодействия F^––Ar, 4 — энергия атома Ar, 5 — вращательный момент пары рекомбинирующих ионов, 6 — полная потенциальная энергия системы.

 

 

Достижение 3

 

Представлены данные о влиянии глобального потепления на атмосферное время жизни нечетного кислорода, Ox. Полученные результаты характеризуют эффект на широте 50º с.ш. в диапазоне высот 15-55 км в январе - июне 2000-го ‒ 2100-ых годов  Данные для расчетов были получены с помощью интерактивной радиационно-химической двумерной модели SOCRATES, с помощью  которой были предварительно рассчитаны суммарная скорость гибели  Ox в каталитических циклах Ox, HOx, NOx, ClOx и BrOx, а также концентрация Ox, равная сумме концентраций O3, O(3P) и O(1D) для указанных выше условий, которые необходимы для расчета времени жизни Ox. В качестве начальных условий для расчетов по модели SOCRATES использовались сценарии Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) RCP 4.5 и RCP 6.0 для указанных выше условий

 Результаты работы опубликованы: [DOI: 10.31857/S0002351523040119].

 

Относительные (в%)  влияние глобального потепления на атмосферное время жизни нечетного кислорода.

 

 

Тема: «РАЗРАБОТКА МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИОН-МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗАДАЧАХ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, ХИМИИ АТМОСФЕРЫ И ЭКОЛОГИИ»

Достижение 1

 

Для оценки последствий загрязнения атмосферы аэрозолем прямо и косвенно влияющего на радиационный баланс атмосферы необходимы знания о динамике и механизмах процессов образования частиц, в том числе с участием атмосферных ионов. В ИНЭП ХФ совместно с ИВМ РАН построена 3 D модель глобального переноса многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей, включающая формирование аэрозоля в обоих полушариях. При этом образование зародышей частиц рассматривалось в процессах бинарной и ионной нуклеации паров серной кислоты и воды. Результаты моделирования указали на значимую роль ионов в образовании аэрозоля, особенно в приземной атмосфере. Их роль определяется уровнем ионизации и температуры, а также влажностью воздуха и содержанием паров серной кислоты.

Результаты работы опубликованы: [https://doi.org/10.1134/S0001433823040035].

Рис. 1. Глобальное распределение скоростей ионной нуклеации см–3 с–1 спустя 18 ч. после инициализации модели. Высота над подстилающей поверхностью 4.2 км, зимнее время (январь 2002г.).	Рис. 2. Глобальное распределение счетных концентраций частиц вторичного аэрозоля (м-3) размером 3.5 нм спустя 18 ч. после инициализации модели. Высота над подстилающей поверхностью 4.2 км, зимнее время (январь 2002г.).

 

 

Тема: «ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ»

 

Достижение 1

 

Предложен квантовый теоретический подход, в рамках которого традиционное представление о распространении радиоволн заменено движением фотонов с соответствующей энергией. В этом формализме эффективное время задержки при резонансном рассеянии фотона определяется характерным временем жизни промежуточных автоионизационных состояний колебательно возбужденных ридберговских  XY**−M комплексов, где M — нейтральная молекула среды, а XY** - двухатомная атмосферная молекула (O₂, N₂, NO и т.д.). Величина времени жизни обусловлена наличием сильной неадиабатической связи электронного и ядерного движений в промежуточных состояниях комплекса, которая не зависит от напряженности внешнего поля, создаваемого передатчиком ГНСС.

Соответствует направлению «1.3.6.4 Фундаментальные проблемы распространения радиоволн, в том числе в атмосфере» программы фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021 - 2030 годы)

 

Ключевые публикации результатов работы:

 

1. Голубков Г.В., Берлин А.А., Дьяков Ю.А., Карпов И.В., Лушников А.А.,

Степанов И.Г., Голубков М.Г. Увеличение ошибок позиционирования с

ростом мощности сигнала глобальных навигационных спутниковых

систем // Химическая физика. — 2023.— Т. 42, No 10. — C. 64–76.

2. Golubkov G.V., Berlin A.A., Dyakov Y.A., Karpov I.V., Lushnikov A.A.,

Manzhelii M.I., Stepanov I.G., Wang P.K., Golubkov M.G. Dependence of positioning

errors on the signal power of global navigation satellite systems // Atmosphere,

Ionosphere, Safety. Proceedings of VIII International Conference /

Eds. O.P. Borchevkina, M.G. Golubkov, I.V. Karpov. — Kaliningrad: Algomat, 2023.

 — P. 256–259. — 362 p.

Разработанный подход позволяет объяснить физическую природу временной задержки спутникового сигнала, приводящей к ошибкам позиционирования ГНСС. Данный подход представляет большой интерес для ряда современных направлений в области физики атмосферы, так как может быть использован для анализа влияния грозовой активности на работу ГНСС, определения структуры плазменных неоднородностей в ионосфере и их свойств, а также при определении состава атмосферы экзопланет.

Соответствует направлениям «1.3.6.4 Фундаментальные проблемы распространения радиоволн, в том числе в атмосфере», «1.3.6.7 Радиофизические и акустические методы диагностики окружающей среды, связи и локации» и  «1.3.7.6 Развитие методов наземной и внеатмосферной астрономии» программы фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021 - 2030 годы)

 

 

Рис. 1.

 

 

Тема: «ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА»

 

Достижение 1

 

Определение механизма окисления и пиролиза C₆H₅CH₂C₆H₄OH (1) (расчёта термохимии и констант скорости реакций) с целью его рационального использования в качестве возобновляемого сырья.

С помощью современных методов молекулярного моделирования показано, что окисление 1 протекает по цепному механизму. При низких T, основным продуктом является C₆H₅C(O₂H)HC₆H₄OH (2), а при высоких T наиболее термохимически благоприятным продуктом является: C₆H₅C(O)HC₆H₄OH (Рисунок 1). Определены значения Δ_fH^o, S^o и Δ_fG^o промежуточных соединений участвующих в рассмотренном механизме.

Рассчитанная величина (k_∞)_T реакции:

C₆H₅C(O₂^·)HC₆H₄OH+1 = C₆H₅C^·HC₆H₄OH+2

показала возможность радикально-цепного производства 2 при относительно низких T. Получаемый 2 может использоваться в качестве замены H₂O₂ или добавки к топливам для снижения температуры горения и выброса NO.

 

 

Рис.1 Термохимия рассмотренного механизма окисления 1

 

Результаты работы опубликованы:

 

Poskrebyshev G.A. ChemistrySelect. 2023. 8(45) e202301579;

Поскрёбышев Г.А., Поскрёбышев А.А. Горение и взрыв. 2024