Учёные создали новый способ делать керамику с помощью лазеров, которая может выдерживать очень высокие температуры. Эта технология подходит для разных задач: от атомных электростанций до космических кораблей и реактивных двигателей.
С её помощью можно делать керамические покрытия, плитку или сложные трёхмерные предметы, что делает её очень гибкой для создания новых устройств.
Шерил Сюй, профессор из Университета Северной Каролины, объясняет, что обычно для создания керамики нужно нагревать её в печи до очень высокой температуры, что занимает много времени и энергии.
Но новая технология использует лазер, который быстро и эффективно превращает жидкий полимер в керамику. Для этого нужно всего лишь направить лазер на жидкий материал в специальной камере.
Эту технологию можно использовать двумя способами: либо наносить керамику на поверхность, либо создавать из неё сложные трёхмерные объекты.
Источник: https://faktom.ru/

В Новосибирске создан 257-нанометровый лазер для печати микросхем, у которого нет аналогов в России. Он использует в работе УФ-излучение и является заменителем американского лазера компании Coherent.
Сибирский импортозамещающий лазер
Российская компания «Оптические технологии» из Новосибирска разработали отечественную лазерную систему для печати фотошаблонов при помощи ультрафиолетового излучения. Как пишет ТАСС со ссылкой на представителей компании, у этого лазера в настоящее время нет ни единого аналога в России. Использоваться этот лазер будет при изготовлении микросхем, уточняет агентство.
Однако же за пределами России заменители нового детища компании «Оптические технологии» существуют. Новый российский лазер 257-нанометровый, и точно такой же имеется в распоряжении американской компании Coherent. Впрочем, в последние годы компания сталкивается с различными трудностями – как сообщал CNews, летом 2024 г. корпорация Apple разорвала с ней все контракты по выпуску компонентов для iPhone, вследствие чего Coherent вознамерилась закрыть один из своих европейских заводов по выпуску электронной компонентной базы. Он расположен в Великобритании.
Для чего нужен лазер
Новый российский лазер, как и его иностранные аналоги, используются для одних и тех же целей – для печати фотошаблонов. В свою очередь эти фотошаблоны в дальнейшем применяются для нанесения рисунка на кремниевые пластины, отмечает издание.
С физической точки зрения фотошаблон – это специальная тонкая пленка, на которой нанесена схема поверхности кремниевой пластины – она в дальнейшем используется для лазерной литографии.
Лазерная литография – это самый распространенный метод нанесения изображения на кремниевую пластину. В ней применяется специальный лазер, и в России такие технологии тоже есть. В сентябре 2024 г. CNews писал, что после 2026 г. в России начнется сравнительно крупное производство лазеров для литографии, которые будут использоваться для выпуска микросхем. Планируется сборка как минимум пяти таких лазеров в год.
Наш ответ Западу
Представитель компании – разработчика подтвердил ТАСС, что импортозамещать российский лазер будет в первую очередь продукцию Coherent. «Мы импортезамещаем американские лазеры Coherent на 257 нанометров, и все оборудование и фоторезисторы заточены под эту длину волны. Аналогов в России нет, потому что это узкоспециализированные лазеры», – заявил он.
Новый лазер – это особый программно-аппаратный комплекс. В плане аппаратного оснащения это симбиоз из непосредственно лазера мощностью 10-30 мВт (милливатт) и волоконного усилителя.
Предназначение последнего становится понятно уже из его названия. В творении «Оптических технологий» он используется для многократного увеличения мощности энергии лазера – с базовых 10-30 мВт до 15 Вт.
В дополнение к перечисленному в составе лазера есть специальный кристалл. Он служит для преобразования частоты лазерного света. «Получается дополнительная генерация» – сказали ТАСС в «Оптических технологиях».
Итоговая конструкция отличается очень незначительным расходом энергии, за счет чего снижаются затраты на электричество и повышается общая эффективность производства, сообщили ТАСС разработчики лазера. По их словам, система потребляет 1 ватт энергии, но не уточнили, в какой промежуток времени. Они отметили лишь, что энергопотребление лазера «меньше чайника в два раза».
Сроки неизвестны
К моменту публикации материала разработчики не раскрывали сроки начала серийного производства нового лазера. Известно лишь, что к концу мая 2025 г. на руках у них был лишь один предсерийный прототип, который они используют для испытаний.
К слову, сами тесты проходят вовсе не в России. Полигоном для них стало предприятие электронной промышленности «Планар», расположенное в Белоруссии.
Источник: https://www.cnews.ru/

Исследователи из Института прикладной математики Дальневосточного отделения РАН и Южно-Уральского государственного медицинского университета разработали технологию и приборно-аппаратный комплекс для применения метода лазерной кавитации в медицине — для лечения инфицированных ран и удаления нежелательных образований в тканях.
«Комплекс представляет собой простой набор оборудования. Он включает медицинский лазерный аппарат и кварц-полиамидное оптическое волокно диаметром 0,4–0,6 мм. Если волокно погрузить в воду и подать по нему коротковолновое инфракрасное излучение, которое водой интенсивно поглощается, то она мгновенно закипает на торце волокна, имеющего площадь менее полмиллиметра и где плотность энергии очень высока», — рассказал «Известиям» руководитель проекта, академик РАН, директор Института прикладной математики ДВО РАН Михаил Гузев.
Ученый пояснил, что при нагреве образуются парогазовые пузырьки. Они схлопываются из-за контакта с «холодным» окружением. Это приводит к возникновению горячих струй и ударных волн. Они воздействуют на патологические образования, разрушая их.
По словам Гузева, технология прорабатывается в двух направлениях. Первое — это устранение патологических структур, таких как кисты, клубки кровеносных сосудов, варикозное расширение вен и другие. Второе — ирригация инфицированных острых и хронических ран. Такая методика опробована на СВО и показала хорошие результаты, в том числе для лечения минно-взрывных ран и других сложных повреждений.
Источник: https://iz.ru/

Новый эксперимент объединяет механику XVIII века и технологии XXI века.
Один из самых важных и до сих пор открытых вопросов современной физики — можно ли считать гравитацию квантовым явлением? В отличие от других фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, слабого и сильного — у нас до сих пор нет полной и согласованной квантовой теории гравитации. Причина проста: её трудно проверить экспериментально. Как объясняет Донгчел Шин, аспирант MIT и стипендиат MathWorks, для этого нужно создать механическую систему, которая одновременно была бы достаточно массивной, чтобы чувствовать гравитацию, и достаточно «тихой» — то есть квантовой — чтобы можно было уловить, как именно гравитация с ней взаимодействует.
В недавно опубликованной работе в журнале Optica Шин и его коллеги впервые применили лазерное охлаждение к сантиметровому крутильному осциллятору — классическому инструменту гравитационных экспериментов, известному ещё со времён опыта Кавендиша 1798 года. Традиционно такие осцилляторы использовали для измерения гравитационной постоянной, проверки закона обратных квадратов и поиска новых гравитационных эффектов. Теперь же учёные сумели охладить систему с комнатной температуры до 10 миллиКельвинов — это в сто раз холоднее, чем жидкий гелий — и всё это с помощью света.
Само по себе лазерное охлаждение — не новость. С 1980-х годов оно успешно применяется для охлаждения атомных газов, а с 2010-х — для наноразмерных линейных осцилляторов. Но впервые эта техника была адаптирована для крутильных систем на макроскопическом уровне. Такой прорыв стал возможен благодаря методу «оптического рычага»: лазер направляют на зеркало, и даже малейший поворот отражающей поверхности приводит к заметному смещению луча. Это позволяет улавливать крошечные колебания с большой точностью.
Цифровая паранойя — новый здравый смысл.
Подробнее: https://www.securitylab.ru/

Разработка найдет применение в стоматологии и неонатологии, сообщили в ПГУ

Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) совместно с медиками Кубанского государственного медицинского университета создали первый в мире экспериментальный образец волоконно-оптического датчика для неинвазивного измерения низкого давления. Об этом ТАСС сообщили в пресс-службе вуза.
"Разработка найдет широкое применение в стоматологии, неонатологии, предполагается ее использовать в аппаратах ИВЛ, в воздушных и жидкостных тонометрах. Запатентованный датчик прошел начальные клинические испытания. В настоящее время работа продолжается, в планах - внедрить датчик в практическое здравоохранение", - говорится в сообщении.
В пресс-службе отметили, что одно из приоритетных направлений использования датчика - диагностика на ранних стадиях патологий челюстно-лицевой области детей и взрослых. Такой является, например, врожденная расщелина верхней губы и неба. Это дефект мягких тканей верхней губы с одной или с двух сторон от средней линии в виде щели разной степени выраженности. Микросенсор датчика размещается во рту пациента на короткое время, по давлению языка на воспринимающий элемент датчика будет оцениваться та или иная патология.
"Установка во рту воспринимающего элемента датчика абсолютно безопасна. Мы используем волоконно-оптические элементы, а не электрические. Оптический сигнал, поступающий в зону измерения, по уровню мощности значительно меньше мощности света, который нас окружает в повседневной жизни", - приводит пресс-служба слова научного руководителя проекта профессора кафедры "Приборостроение" ПГУ Татьяны Мурашкиной.
Та часть датчика, которая устанавливается во рту, в два-три раза меньше размеров известных средств измерения низких давлений. На дисплей электронного блока датчика выводятся показания. Микросенсор по форме и размеру напоминает таблетку. С одной стороны корпуса микросенсора расположена "подушечка", которая взаимодействует с небом пациента, а с другой - воспринимающий элемент особой конструкции, который укладывается на поверхность языка человека. Такое конструктивное исполнение микросенсора снижает погрешность взаимодействия средства измерений с объектом измерений в три-пять раз.
"С внедрением изобретения в практическое здравоохранение время проведения процедуры измерений морфометрических и параметрических параметров челюстно-лицевой области сократится до 15-30 секунд. В то время как существующие аналогичные процедуры требуют 5-10 минут", - объяснили в пресс-службе.
Перспективы применения
Ученые ведут переговоры с учреждениями здравоохранения о внедрении разработки в клиническую практику. Отмечается, что устройство также станет помощником врачам-неонатологам при лечении и профилактике патологий новорожденных. Им можно измерить давление кровотока в пуповине младенца. Оно простое в применении, не требует высокой квалификации медицинского персонала.
"Чрезвычайно высокий уровень безопасности для новорожденного, так как не содержит электрические элементы в зоне измерения. Исключены любые негативные последствия от электромагнитного воздействия на здоровье младенца и на результаты диагностики. В зону измерения поступает оптическое излучение небольшой мощности", - рассказала Мурашкина.
Она добавила, что волоконно-оптический датчик давления можно использовать в аппаратах искусственной вентиляции легких. Себестоимость устройства совместно с электронным блоком преобразования информации не превысит 100 тыс. рублей. В планах научного коллектива разработать базу данных со встроенным искусственным интеллектом. Она будет определять отклонение от нормы, указывающее на патологию.
Источник: https://nauka.tass.ru/

PDL снизил вероятность развития рака кожи в 2 раза, в том числе плоскоклеточной и базальноклеточной карциномы
Команда американских ученых под руководством Джейми К. Ху сообщила, что импульсный лазер на красителях (PDL) может снизить риск развития различных видов рака кожи, включая карциномы. В последние годы было доказано, что лечение лица с помощью абляционных CO₂-лазеров и неабляционных фракционных лазеров (NAFL) снижает риск развития карцином на обработанных участках кожи. Подобные исследования обсуждаются на ежегодном собрании Американского общества лазерной медицины и хирургии (ASLMS). Последнее прошло с 24 по 26 апреля 2025 года.
На ASLMS выступила команда исследователей под руководством Джейми К. Ху. Ученые предоставили доказательства того, что лечение лица с помощью импульсного лазера на красителях (PDL) может снизить риск развития распространенных видов рака кожи, в том числе базальноклеточной и плоскоклеточной карциномы.
В исследовании участвовало 59 пациентов (61% женщин, 39% мужчин) с кератиноцитарным раком кожи лица. Они прошли минимум одну процедуру лечения кожи лица с помощью импульсного лазера на красителях (PDL), другие лазерные методики не применялись. Контрольная группа (количество пациентов не уточняется) лазерное лечение не проходила. После 8,6 лет лишь у 27,1% пациентов, прошедших лечение PDL, развился кератиноцитарный рак. В контрольной группе показатель оказался в два раза выше — 54,2%.
Более десяти лет в различных исследованиях ученые доказывают, что лазерное лечение оказывает профилактический эффект в отношении кератиноцитарного рака кожи. В 2023 году исследовательская группа из Гарвардского университета под руководством Мэтью Аврама обнаружила, что лечение неабляционным фракционным лазером (NAFL) снижает риск последующего развития кератиноцитарного рака. Ученые такой эффект связали с тем, что фракционное лазерное лечение ускоряет репарацию ДНК.
Мэтью Аврам прокомментировал новое исследование команды Джейми К. Ху: «Есть несколько теорий профилактического действия PD-лазеров. Возможно, PDL снижает уровень провоспалительных цитокинов, которые связаны с повышенным развитием базальных клеток. Такой механизм действий рассматривали в недавнем исследовании пациентов с розацеа. Другая теория связана с тем, что PDL усиливает иммунный надзор. Кроме того, мы действительно лечим базальноклеточную карциному с помощью импульсного лазера. Так что, возможно, мы неосознанно лечим зарождающиеся опухоли».
Р. Рокс Андерсон, который изобрел технологию PDL, в отдельном интервью сказал, что для него стало «настоящим сюрпризом» то, что фракционный и импульсный лазеры снижают риск кератиноцитарного рака, ведь они работают по-разному и воздействуют на разные структуры кожи. Изначально он опасался, что лазерные методы лечения могут, наоборот, повысить риск развития рака. Что касается нового исследования PDL, Андерсон предположил, что микроповреждения стимулируют процесс восстановления ДНК клеток. Однако он подчеркнул, что это не противораковое лечение, а интересный механизм, который, вероятно, можно будет применять не только к коже.
Источник: https://www.1nep.ru/

Специалисты Томского политеха создали новый композитный материал для суперконденсаторов. С ним можно будет создать устройства удельной емкостью в 8–10 раз больше существующих аналогов.
Обычно для электродов суперконденсаторов используют материалы на основе углерода. Их основные ограничения — низкие показатели удельной энергии и емкости. Чтобы улучшить эти характеристики, ученые создали углеродный композитный материал со сложной структурой. Она представляет собой каркас с крошечными порами и каналами, внутри которых расположены атомы металлов кобальта и марганца. Их внедрили в материал в форме особых соединений — гексацианоферратов.
Для создания гибких электродов ученые впервые применили комбинацию методов лазерного осаждения и ионного наслаивания солей металлов из водных растворов. На первом этапе получили пористую подложку из полимеров. При помощи лазерного вплавления металлических частиц на ней сформировали электропроводящий углеродный слой. После этого подложку обработали растворами солей металлов, чтобы внедрить в материал частицы кобальта и марганца.
Как показали исследования, за счет новых электродов удельная емкость суперконденсаторов достигла 224,5 микрофарад на квадратный сантиметр — это в 8–10 раз больше, чем у существующих коммерческих аналогов. При этом суперконденсатор показал высокую производительность и стабильность в течение тысячи циклов зарядки — разрядки.
Источник: https://e-plus.media/

Ученые из Сколтеха модифицировали поверхность полого оптического волокна таким образом, чтобы оно могло функционировать как крошечный фонарь на медицинском зонде для исследования кровеносных сосудов и других полостей в организме изнутри.
Описанный в журнале Annalen der Physik микрофонарь состоит из фрагмента полго оптического волокна — отрезка крошечной стеклянной трубки. На внутреннюю поверхность этой трубки наносят слои полимера и наночастиц, а концы трубки запечатывают полимерными мембранами. Если поверх мембран нанести зеркала, то фонарь превратится в лазер, который излучает узконаправленный одноцветный световой пучок. Последнее ценно для фотодинамической терапии: лазер может поражать опухоль, в которую доставлен фоточувствительный препарат.
Использование эндоскопических зондов из оптоволокна — перспективный способ добраться до труднодоступных участков в организме в целях визуализации или терапии. Благодаря своей малой толщине оптоволокно может войти, например, внутрь крупного кровеносного сосуда. Но если такой зонд не оборудован никакими функциональными инструментами, смысла в нем мало.
Изготовленная учеными из Сколтеха и их коллегами структура могла бы войти в набор таких инструментов в качестве источника света, в том числе — при условии дополнительных усовершенствований — лазера с настраиваемой длиной волны излучения. Последний был бы весьма полезен на конце эндоскопического зонда как с точки зрения диагностики, так и с точки зрения терапии.
Обычно структуры, подобные представленному в работе микрофонарю, подвержены значительным потерям интенсивности света. Именно это слабое место удалось устранить ученым из Сколтеха и их коллегам. В основе источника света — кусок полого оптического волокна длиной несколько сантиметров и диаметром 0,5 миллиметра снаружи и 0,25 миллиметра внутри. На внутреннюю поверхность полой сердцевины волокна наносится слой полимера, а поверх него — слой так называемых квантовых точек. Это наноразмерные частицы, предоставленные Саратовским государственным университетом (сами волокна тоже изготовлены в Саратове, ООО НПП «Наноструктурная технология стекла»). Чем больше слоев полимера и квантовых точек наносится, тем выше потери света в волокне.
«Нам удалось установить, что наночастицы многослойного покрытия можно уплотнить посредством термической обработки, которая удаляет влагу из слоев полимера, уменьшает шероховатость нанокомпозитного покрытия и, как следствие, снижает оптические потери. Примечательно, что необходимый нагрев достигается попутно при формировании зеркал из диоксида титана и оксида кремния на поверхности полимерных мембран, которые наносятся на оба торца отрезка оптического волокна для создания оптического резонатора», — рассказал руководитель исследования профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Дмитрий Горин.
Получившаяся оптическая система перспективна для создания лазеров с оптической накачкой, работающих в довольно широком диапазоне длин волн, от 0,3 до 6 микрометров. Активной средой такого лазера послужат квантовые точки, а резонатор образуют два зеркала. Свет будет выходить с торца цилиндрической микроструктуры. Рабочую длину волны, то есть цвет лазерного луча, можно будет задать, варьируя характеристики слоя квантовых точек в процессе изготовления устройства.
В зависимости от конкретного случая медицинский зонд, оснащенный предложенным источником света, мог бы использоваться для исследования поверхностей, визуализации биологических тканей, удаления патологических образований с помощью так называемой фотодинамической терапии.
Источник: https://naked-science.ru/

Физики ИТМО предложили новый материал для лазерной печати — он позволяет «вшивать» в одну картинку черно-белые и цветные изображения одновременно. Ученые впервые использовали металл-органические каркасы — оптически прозрачный материал, хорошо преобразующий лазерное излучение. Под воздействием лазера его структура изменяется, и в объеме формируются цветные дефекты. Каждый такой дефект обладает уникальным спектром рассеяния, что делает металл-органические каркасы полезными для создания антиконтрафактных неклонируемых меток. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Лазерная литография позволяет получать изображения на поверхности и в объеме материала с помощью лазера. Для цветных и черно-белых изображений используют разные методы. Например, при создании черно-белых — применяют лазерную абляцию, когда часть материала удаляют с поверхности изделия лазерным импульсом. Для цветных — метод фотооксидирования: делают на поверхности изделия оксидную пленку, нагревая его лазером. При этом для разных подходов нужны материалы с разными свойствами. До недавнего времени ученым не удавалось получать на одном материале черно-белые и цветные изображения одновременно.
Ученые ИТМО смогли совместить два вида печати и показали, как можно наносить цветные и черно-белые изображения на одном материале разными способами.
Для этого они впервые применили металл-органический каркас (МОК) Er-BTC. Этот материал состоит из эрбиевых металлов, соединенных органическими молекулами (тримезиновой кислотой). Он очень пористый и обладает кристаллической структурой. Благодаря такому строению металл-органический каркас обладает нелинейными свойствами — материал преобразовывает лазерное излучение, сокращая длину волны в два раза. При уменьшении длины волны внутри материала свет еще сильнее фокусируется в точке и создает на изделии цветной дефект малого размера. Именно от размера точки фокусировки и зависит цвет создаваемого «пикселя».
Новую технологию ученые планируют применить при создании неклонируемых меток для защиты предметов роскоши от подделок. В отличие от других материалов, металл-органические каркасы позволяют получать защитные изображения с разными цветами, что дает зашифровать в них больше информации.
«Когда мы направляем на поверхность материала достаточно мощное излучение, кристалл уже не может преобразовать его и начинает разрушаться, вследствие чего формируется цветной дефект. Этот дефект соответствует цвету длины волны, которую должна излучать структура. Например, если мы посветим на изделие инфракрасным лазером с длиной волны, равной 1000 нанометров, то материал преобразует эту длину волны в 500 (длина волны зеленого цвета). Это означает, что при большой мощности лазера на структуре появится дефект зеленого цвета», — объясняет Анастасия Ефимова, первый соавтор статьи, инженер физического факультета ИТМО.
Варьируя длины волн лазера, ученые могут формировать дефекты от сине-фиолетового до красно-оранжевого и розового цветов.
«В защитную метку можно будет зашифровать информацию с помощью QR-кодов. При этом мы сможем гарантировать, что этот QR-код невозможно будет повторить, потому что каждый цветной “пиксель” метки будет обладать уникальным спектром рассеяния, а каждый черно-белый сможет менять свой оттенок в зависимости от энергии в лазерном импульсе, используемой для его создания», — подчеркивает Николай Жесткий, главный автор статьи, инженер физического факультета ИТМО.
QR-коды на поверхности (C) и в объеме (D) микрокристалла МОК. Схема предоставлена учеными
Статья: Nikolaj Zhestkij, Anastasiia Efimova, Yuliya Kenzhebayeva, Svyatoslav Povarov, Pavel Alekseevskiy, Sergey Rzhevskiy, Sergei Shipilovskikh, and Valentin Milichko. Grayscale to Multicolor Laser Writing Inside a Label-Free Metal-Organic Frameworks. Advanced Functional Materials, 2024
Елизавета Кокорина
Журналист
Источник: https://news.itmo.ru/

Исследователи из Объединенного института высоких температур РАН и МФТИ изучили сажеобразование в ходе пиролиза углеводородов. Итоги работы ученых можно использовать при моделировании процессов горения и производстве технического углерода.
Результаты исследований опубликованы в журнале «Кинетика и катализ». На большинстве промышленных предприятий применяют углеводородное топливо. В ходе его сгорания или пиролиза выделяется тепловая энергия и вредные вещества, в частности, сажа. Сажа представляет собой наночастицы аморфного углерода.
Любопытно, что в русском языке слово «сажа» ассоциируется исключительно с отходом. При этом есть заводы по производству сажи, только в этом случае ее именуют техническим углеродом. Характеристики технического углерода: размер частиц, плотность и пористость — зависят от условий его получения.
Оптимизация процессов горения углеводородов позволит снизить выбросы сажи, которая оказывает негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Кроме того, на предприятиях, где производят технический углерод, необходимо прогнозировать свойства углеродных наночастиц. Благодаря этому будет получен товарный продукт с нужными характеристиками. Данные обстоятельства мотивировали ученых из ОИВТ РАН и МФТИ изучить закономерности образования сажи при пиролизе органических веществ, включая не только углеводороды различной структуры: метан, ацетилен, этилен и бензол, — но и перспективные биотоплива, такие как этанол, диметиловый эфир, фуран и другие.
Для экспериментов ученые использовали ударную трубу стандартной конструкции (Рисунок 1). Ударной трубой называют установку, состоящую из двух камер, которые разделены диафрагмой. Камеру высокого давления заполняют толкающим газом, водородом или гелием, а камеру низкого давления — исследуемой смесью углеводородов. Вследствие разницы давлений происходит самопроизвольный разрыв диафрагмы, и по исследуемой газовой смеси распространяется ударная волна. После прохождения вдоль камеры низкого давления она отражается от торца трубы. За фронтом отраженной ударной волны формируется неподвижный объем газа с температурой, равной или превышающей характерные значения температур горения в промышленных установках. В данной работе исследования были проведены в диапазоне температур 1400─2500 K.
Объемную долю наночастиц сажи, образующихся при пиролизе исследуемых веществ, ученые определяли методом лазерной экстинкции. Под экстинкцией понимают ослабления пучка света в процессе его распространения в среде из-за поглощения и рассеяния на наночастицах.
Размер наночастиц устанавливали методом лазерно-индуцированной инкандесценции. Для этого сажу нагревали неодимовым лазером Nd:YAG. Параметры работы лазера следующие: длина волны — 1064 нм, длительность импульса — 12 нс, плотность энергии излучения — не более 0,1 Дж/см2. Вследствие теплообмена с окружающей средой сажа охлаждалась. Тепловое излучение наночастиц в течение их нагрева и последующего охлаждения регистрировали фотоэлектронными умножителями. Экспериментальные сигналы далее сопоставляли с расчетными, полученными в ходе моделирования. В основе модели лежит система уравнений, которые описывают законы сохранения массы и энергии для сферической наночастицы углерода.
Применение метода лазерной экстинкции на длине волны 633 нм показало диапазоны температур, которые соответствуют максимуму объемной доли сажи, образующейся при пиролизе разных углеводородов (Рисунок 2). Наибольшее количество сажи получено из бензола, примерно вполовину меньше — из ацетилена и фурана. Вместе с тем, бензол, тетрагидрофуран и диэтиловый эфир быстрее превращается в сажу, чем другие углеводороды. Из всех изученных соединений самый широкий температурный интервал сажеобразования у ацетилена. Размер частиц сажи находится в диапазоне 7─21 нм.
Во время пиролиза метанола, этанола, н-бутанола, диметилового эфира и диметоксиметана не зарегистрировано сигналов экстинкции. Следовательно, эти представители биотоплив не склонны к сажеобразованию в данных экспериментальных условиях.
«Мы установили, что больше всего сажи образуется из веществ с циклической структурой, а минимальные количества — из спиртов и линейных эфиров, не имеющих углерод-углеродных связей C – C, — говорит Александр Еремин, заведующий лабораторией неравновесных процессов ОИВТ РАН. — На основании полученных данных мы составили схему относительной склонности к сажеобразованию исследованных углеводородов, первое место в которой занимает бензол».
Ученые также смоделировали процесс пиролиза углеводородов в зависимости от времени. Вычисления выполнены с помощью модели CRECK, разработанной в Миланском политехническом университете. Установлено, что для ацетилена и бензола расчетные и экспериментальные значениями не согласуются. Объясняется это тем, что в модели CRECK не учтено участие полиинов в процессе образования сажевых частиц. Полиины — это органические соединения, молекулы которых содержат не менее трех тройных углерод-углеродных связей C ≡ C.
«Отсутствие полииного пути в механизме сажеобразования снижает прогностическую точность модели CRECK, — пояснил Василий Золотаренко, магистр Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики, МФТИ. — Из-за этого расчетный выход частиц углерода при пиролизе бензола и ацетилена сильно недооценен».
Результаты, полученные учеными, могут быть использованы для определения погрешностей и последующей корректировки существующих моделей горения и сажеобразования.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ.
Источник: https://naked-science.ru/