Ученые из Уральского федерального университета под руководством Дмитрия Александрова при содействии Российского научного фонда добились выдающегося научного результата — разработали математическую модель, значительно упрощающую описание и прогнозирование процессов роста кристаллов при затвердевании жидкостей. Этот научный инструмент открывает новые горизонты в создании высокотехнологичных материалов с заранее заданными характеристиками, предоставляя производственникам больше возможностей для совершенствования продуктов в самых различных отраслях.
Новая ступень математического моделирования
Инициатива исследователей УрФУ позволяет проанализировать этапы формирования кристаллов на мезоскопическом уровне. Именно на этом промежуточном масштабе — между нано- и макроразмерами — определяются важнейшие эксплуатационные свойства будущего материала, такие как его прочность, стойкость к ударным нагрузкам, пористость и электропроводность. Исследованию подвергались кристаллы размером от десятков до сотен микрометров. Значимость такого подхода к моделированию признается мировым научным сообществом — это по-настоящему универсальный инструмент, способный преобразовать промышленное производство новых материалов.
Имитация природных процессов для промышленных задач
Математическое моделирование, развиваемое сотрудниками УрФУ, находит применение при создании сложных промышленных сплавов и керамик, а также при выращивании монокристаллов кремния для солнечных панелей. В современном производстве чрезвычайно важно контролировать такие параметры, как скорость и условия затвердевания, ведь именно эти факторы влияют на качество и бездефектность конечного изделия. С помощью предложенной модели стало возможным прогнозировать и управлять формированием необходимых свойств на этапе роста кристаллов. Сравнение расчетных данных с результатами лабораторных экспериментов подтвердило надежность и точность методики.
Уникальный подход к труднейшим научным задачам
Одна из самых сложных проблем в материаловедении — это взаимодействие множества растущих кристаллов, которые способны вращаться, сливаться или разветвляться. Пока что никто не создал модели, позволяющей рассчитать такую сложную систему в полном объеме. Коллектив Дмитрия Александрова сделал серьезный шаг вперед, сосредоточив внимание на динамике роста так называемых дендритов — ветвистых кристаллических структур, формирующихся в особых условиях переохлаждения жидкости. Для упрощения сложной задачи ученые предложили рассматривать отдельные дендриты, растущие в канале между двумя стенками, имитируя тем самым воздействие соседних кристаллов. Такой подход впервые позволил получить количественные описания процесса, которые полностью подтверждаются практическими экспериментами.
Ключ к инженерному управлению свойствами материала
Результаты исследований показали: скорость процесса кристаллизации является основным регулятором будущих характеристик производимого вещества. Чем быстрее происходит замерзание, тем уже промежутки между возникающими кристаллическими структурами. Такое влияние температуры и скорости затвердевания позволяет намеренно формировать нужную структуру материала. Благодаря математической модели ученых, можно точно просчитать параметры получения сплавов или керамик с определенной микротвердостью, хрупкостью или, напротив, пластичностью. Этот метод одинаково применим как для металлических систем, так и для солевых растворов или воды, что делает его универсальным инструментом для современного материаловедения.
Вклад в инновационное развитие российского и мирового производства
Высокая теоретическая значимость и прикладной потенциал работы отмечает и руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров. По его словам, разработанная в университете матмодель легко масштабируется и может использоваться специалистами самых разных отраслей. Это реальный путь к появлению принципиально новых материалов, способных изменить стандарты энергоэффективности, долговечности и надежности продукции в энергетике, авиации, машиностроении. Особенно важно, что созданная математическая платформа позволит реализовывать индивидуальные требования заказчиков к микроструктуре материалов на этапе их производства, а значит, кардинально повысит конкурентоспособность российских разработок на мировом рынке.
Оптимизм научного поиска и поддержка для будущих открытий
Проект, ставший возможным благодаря поддержке Российского научного фонда, демонстрирует уверенный прогресс отечественной науки и ее вклад в развитие ключевых секторов современного общества. Достижения коллектива Дмитрия Александрова олицетворяют не только системный научный подход, но и реальный потенциал для перехода от фундаментальных знаний к прикладным технологическим инновациям. Впереди у исследователей еще немало открытий, способных определить будущее материалов, которые станут основой нашей жизни завтра.
Источник: scientificrussia.ru
