Проект направлен на решение фундаментальной проблемы теории фазовых переходов из метастабильного жидкого состояния в твёрдое – исследование нуклеации и роста кристаллов в пересыщенных растворах при учёте массообмена системы с окружающей средой. Одним из основных направлений исследований проекта, представляющем собой его новизну, является одновременный учёт эффектов притока примеси извне в пересыщенный раствор, роста и растворения в нём кристаллов, а также отвода готовых кристаллов продукта из системы. Другим важным аспектом является исследование режимов формирования в пересыщенном растворе автоколебательного режима кристаллизации, который обеспечивается непрерывными процессами притока и оттока массы. Эта задача будет реализована с помощью линейного и нелинейного анализа устойчивости рассматриваемого процесса объёмной кристаллизации. Поставленные задачи имеют важную практическую значимость для описания бесперебойных режимов работы промышленных кристаллизаторов и грануляторов. Масштабность задачи (серии последовательных подзадач проекта) вытекает, как из её актуальности и практической значимости для описания огромного числа процессов и явлений, так и из многолетней истории её изучения. В проекте запланировано развитие теории нуклеации и роста зародышей в метастабильных жидкостях в соответствии с общим поэтапным планом работ по проекту: I. Первый этап выполнения проекта: «Объёмная кристаллизация полидисперсного ансамбля частиц в пересыщенном растворе кристаллизатора с учётом их нуклеации, роста/растворения, а также отвода кристаллов продукта из метастабильной жидкости»; II. Второй этап выполнения проекта: «Автоколебательные режимы бесперебойной работы кристаллизаторов».
Актуальность проекта состоит в большом количестве приложений разрабатываемой теории. Так, например, нуклеация и рост кристаллов контролируют такие процессы, как кристаллизация растворов и расплавов в лабораторных и промышленных кристаллизаторах, зародышеобразование при спекании и горячем прессовании, рекристаллизация гетерогенных материалов, термическая нестабильность делящихся веществ, формирование требуемых свойств высокопрочных сталей, агрегирование в коллоидах и магнитных жидкостях, синтез белка (например, интерферон-альфа и гормон роста человека), кристаллизация гемоглобина С и полимеризация гемоглобина S, кристаллизация белков в сетчатке глаза (ответственная за образование катаракты) и т.д. В рамках исследований запланировано приложение развиваемой теории к описанию кристаллизации ряда важных биохимических соединений, что является прикладным аспектом проекта.
Ожидаемые результаты
В рамках проекта будет дано теоретическое описание эволюции полидисперсного ансамбля частиц в метастабильной области фазового перехода с учётом эффектов притока примеси извне в пересыщенный раствор, роста и растворения в нём кристаллов, а также отвода готовых кристаллов продукта из системы. При анализе интегро-дифференциальных моделей процесса нуклеации и роста кристаллов будут разработаны новые теоретические подходы, основанные на применении методов седловой точки, дифференциальных рядов, разложения искомых функций в ряды по малым параметрам и др., что позволит установить аналитические зависимости для функции распределения кристаллов по размерам, её моментов, определить динамику снятия пересыщения системы, найти частоту нуклеации при различных кинетиках роста частиц в метастабильной области фазового превращения. Подробный план исследований и ожидаемые результаты приведены в разделах 4.6, 4.9 и 4.10 настоящей заявки.
Научная значимость результатов заключается в развитии нового теоретического описания процесса эволюции полидисперсного ансамбля частиц с учётом массообмена системы с окружающей средой (притока примеси и отвода кристаллов продукта) на промежуточной стадии фазового превращения в пересыщенных растворах. Общественная значимость результатов заключается в применении развиваемой теории к практическому использованию в науках о материалах, химической и фармакологической промышленности, а также в биологии. В рамках проекта развиваемая теория будет применена к описанию кристаллизации ряда белков и инсулина, обладающих высокой значимостью в социальной сфере. Установление законов эволюции ансамбля кристаллов в метастабильном растворе позволит управлять процессами фазовых превращений, а также оптимизировать затраты на биохимические реагенты, используемые в современных кристаллизаторах и грануляторах. Результаты проекта соответствуют мировому уровню исследований и будут опубликованы в ведущих мировых высокоимпактных журналах.
