Цитируемые ученые: скаффолды с серебром, гелеобразное топливо и утилизация отходов

| 784

Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за сентябрь. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 77, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 6,361.

Инженерная школа энергетики

 

Состояние капли и механизм движения контактной линии на текстурированных лазерным излучением поверхностях алюминиево-магниевого сплава

Журнал: Journal of Colloid and Interface Science, (Q1, ИФ 6,361)

Гений Кузнецов, главный научный сотрудник НОЦ И.Н.Бутакова, Дмитрий Феоктистов, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Евгения Орлова, ассистент НОЦ И.Н. Бутакова, Илья Зыков, доцент отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий, Анастасия Исламова, инженер-исследователь Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, аспирант НОЦ И.Н. Бутакова.

«Исследование посвящено обоснованию возможности управления растеканием малых объемов жидкости по твердым поверхностям за счет нанесения текстуры лазерным излучением. Результаты исследований представляют интерес в области создания микро- и миниканальных систем охлаждения микроэлектронного оборудования и микрофлюидных устройств различного назначения (в том числе медико-биологического)», — сообщают авторы.

Так, в статье говорится, что, создав текстуру с заданными параметрами (упорядоченную или анизотропную), можно управлять изменением свойств смачиваемости от супергидрофильных до гидрофобных, а также состоянием капли (Венцеля или Касси).

«В настоящей статье показано, что по величине гистерезиса контактного угла определяется не только отклонение контактного угла от равновесного, но и адгезия капли с поверхностью, ее состояние (Венцеля или Касси) и анизотропия смачиваемости локальных участков на упорядоченных и анизотропных текстурах, сформированных лазерным излучением», — уточняют исследователи.

 

Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

 

Алгоритм кумулятивных сумм сегментации цифрового радиационного изображения объекта контроля

Журнал: Journal of Nondestructive Evaluation, (Q2, 2,139)

Сергей Воробейчиков, НИ ТГУ, Сергей Чахлов, заведующий Российско-китайской научной лабораторией радиационного контроля и досмотра ИШНКБ, Виктор Удод, ведущий научный сотрудник Российско-китайской научной лабораторией радиационного контроля и досмотра ИШНКБ.

В исследовании представлена математическая модель цифрового рентгеновского изображения объекта контроля для случая, когда основным видом искажения изображения является шум, обусловленный квантовой природой излучения.

Авторами предложен новый многоуровневый алгоритм кумулятивных сумм для автоматической сегментации данного изображения. Данный алгоритм основан на выделении границ однородных по яркости сегментов вдоль строк и столбцов изображения с помощью многократного применения процедуры кумулятивных сумм.

«Проведено сравнение по эффективности предлагаемого алгоритма с двумя другими известными алгоритмами — алгоритмом пороговой сегментации и лидер-алгоритмом. Сравнение проводилось на смоделированных изображениях, а также на рентгеновском изображении сварного шва. Среднеквадратичные ошибки сегментации для нового алгоритма оказались примерно в два и три раза меньше, чем для порогового и лидер-алгоритма, соответственно», — говорится в статье.

Особенности формирования структуры покрытия на основе стали 10р6м5 после поверхностного лазерного оплавления и изнашивания в паре трения

Журнал: Metallurgical and Materials Transactions A, (Q1, ИФ 1,985)

Сергей Гнюсов, профессор отделения электронной инженерии ИШНКБ, Илья Исакин, ТПУ, Сергей Тарасов, профессор отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий (ИШНПТ), Сергей Буханченко, доцент отделения материаловедения ИШНПТ.

В работе исследована структура литого ядра и зоны термического влияния покрытия на основе стали 10Р6М5 после дискретного поверхностного лазерного оплавления, длительность импульса которого изменялась в интервале 2…20 мс. Для оплавления образцов применялась лазерная установка Blacklight на основе неодимового лазера с ламповой накачкой и управляемым разрядом.

«Экспериментально установлено, что в результате неравновесной кристаллизации в приповерхностном объеме литого ядра явно выделяются две структурные составляющие: А и Б. При этом структура А литого ядра имеет дендритно-ячеистое строение. Внутри ячеек находятся первичные кристаллы d-фазы. Структура Б в результате завершенности перитектической реакции состоит из γ-фазы, часть которой при быстром охлаждении превращается в α-фазу (мартенсит). Границы кристаллитов высоколегированной аустенитно-мартенситной матрицы представлены эвтектикой на основе карбида M6C. Феррит, образующийся в результате незавершенной перитектической реакции, располагается только в приповерхностном объеме литого ядра, в то время как аустенит (структура Б) находится преимущественно в центральной и нижней части литого ядра. Зона термического влияния состоит из переходного участка и участка закалки», — говорится в статье.

 

Исследовательская школа химических и биомедицинских технологий

 

Сниженная бактериальная колонизация металлических Ti6Al4V скаффолдов, изготовленных методом аддитивного производства, с иммобилизованными наночастицами кальций-фосфата и серебра

Журнал: Applied Surface Science, (Q1, ИФ 5,155)

Мария Сурменева, старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ИШХБМТ, ведущий инженер Лаборатории новых лекарственных форм, Lapanje Ales (индекс Хирша 15), Jozef Stefan Institute, Екатерина Чудинова, инженер-исследователь Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ИШХБМТ, Анна Иванова, ТПУ, Андрей Коптюг (индекс Хирша 13), Mid Sweden University, Катерина Лоза (Индекс Хирша 12), Олег Примак (индекс Хирша 20), Маттиас  Эппле (индекс Хирша 57), Franka Ennen-Roth, (индекс Хирша 53), Маттиас Ульбрихт, Университет Дуйсбург-Эссен, Германия, Rijavec Tomaz, Институт Йожефа Стефана, Словения, Роман Сурменев, директор Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ИШХБМТ.

«В настоящий момент на отечественном медицинском рынке отсутствуют персонализированные имплантаты, т.е. заменители кости, выполненные непосредственно по размерам пациента. Эту проблему позволяет решить создание трехмерных пористых матриц титанового сплава (скаффолдов) одним из методов аддитивных технологий — электронно-лучевым плавлением, с помощью которого возможно не только оптимизировать размер имплантата, но и задавать его структуру и форму, способствующие лучшему прорастанию костной ткани», — говорят авторы.

В данной работе с целью функционализации поверхности на скаффолды Ti6Al4V сплава, полученного электронно-лучевым плавлением, были иммобилизованы наночастицы кальций-фосфата и серебра, обладающие биосовместимыми свойствами и антимикробным эффектом. В ходе исследований на модифицированных скаффолдах была оценена антибактериальная активность клеток Staphylococcus aureus, являющихся наиболее распространенным патогеном, который снижает эффективность хирургических имплантатов.

Результаты показали, что функционализация поверхности имплантата наночастицами кальций-фосфата и серебра, которые изменяют гидрофобность и шероховатость поверхности на наноуровне, обеспечивает антибактериальную защиту.

Влияние гетероатомов (Se, Se и Ti) на ароматичность гетероциркуленов

Журнал: New Journal of Chemistry, (Q2, ИФ 3,069)

Наталия Карауш-Кармазин (индекс Хирша 12), Глеб Барышников (индекс Хирша 22), Черкасский национальный университет им. Богдана Хмельницкого, Ленара Валиулина, НИ ТГУ, Рашид Валиев, доцент ИШХБМТ, Hans Agren (индекс Хирша 77), Борис Минаев (индекс Хирша 39), Королевский технологический институт г. Стокгольм.

«Целая серия гетеро[7]циркуленов с различными гетероатомами были исследованы методом GIMIC. Эти молекулы имеют важное применение в области органической электроники, главным образом в качестве органических полевых транзисторов. Впервые было показано, что ароматичность гетеро[7]циркуленов является фактически такой же, как у более известного класса гетеро[8]циркуленов. При этом внутренний периметр молекул является антиароматичным, а внешний — ароматичным», — отмечают исследователи.

Таким образом, показано, что количество атомов [n] во внутреннем цикле не влияет на ароматичность и в целом такое необычное поведение молекул гетеро[n]циркуленов обусловлено их топологией. Фактически главным выводом данной работы является связь ароматичности с топологией данных молекул, причем широкого класса молекул гетеро[n]циркуленов, где n=3..12.

 

Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов

 

Численное моделирование газофазного зажигания гелеобразного топлива локальным источником ограниченного теплосодержания

Журнал: Acta Astronautica, (Q1, ИФ 2,482)

Дмитрий Глушков, доцент ИШФВП, Гений Кузнецов, главный научный сотрудник НОЦ И.Н. Бутакова, Павел Стрижак, профессор ИШФВП, Роман Табурчинов, аспирант ИШФВП.

«В настоящее время твердые, жидкие и газообразные топлива получили широкое применение на практике. Закономерности и характеристики процессов зажигания и горения таких топлив хорошо изучены. В последние годы перспективным направлением развития теории горения является исследование свойств гелеобразных топлив, закономерностей и характеристик процессов их горения. Как правило, подавляющее большинство исследований в рамках тематики гелеобразных топлив посвящено изучению процессов горения одиночных капель для разных топливных составов. Какая-либо информация об исследовании закономерностей и характеристик зажигания и горения слоя типичного гелеобразного топлива (или топливного заряда) при нагревании локальным источником энергии отсутствует. Результаты таких исследований являются актуальными при разработке перспективных технологий утилизации жидких или мелкодисперсных твердых горючих отходов в составе гелеобразных топлив в условиях Арктики или Антарктики, а также при оценке пожарной опасности топливных зарядов или при разработке энергоэффективных технологий инициирования горения гелеобразных топлив в условиях локального кондуктивного нагрева», — говорят ученые.

Для описания взаимосвязанных физико-химических процессов при зажигании гелеобразных топлив с относительно низкой начальной температурой был разработан подход в рамках моделей механики сплошной среды и теории химической кинетики. Прогностическая математическая модель в отличие от известных моделей зажигания твердых и жидких конденсированных веществ учитывает инертный прогрев топлива, плавление его приповерхностного слоя, испарение горючего с поверхности расплавленной области приповерхностного слоя топлива, формирование горючей газовой смеси, ее прогрев и экзотермическое реагирование.

«В рамках разработанной математической модели установлены значения плотностей теплового потока от локального источника энергии к топливу, необходимые для его зажигания в широких диапазонах варьирования начальной температуры, размеров и материала (сталь, медь, алюминий, керамика, углерод) горячих частиц. Изменение этих параметров существенно влияет на основную характеристику процесса (время задержки зажигания) при близких к предельным условиям зажигания. Установлено, что зажигание топлива вне зависимости от параметров локального источника энергии и условий протекания процесса происходит в окрестности основания горячей частицы в непосредственной близости с поверхностью гелеобразного топлива», — уточняется в статье.

Утилизация твердых бытовых отходов путем сжигания в составе композиционного топлива с выработкой энергии

Журнал: Journal of Environmental Management, (Q1, ИФ 4,865)

Дмитрий Глушков, доцент ИШФВП, Кристина Паушкина, студент НОЦ И.Н. Бутакова, Дмитрий Шабардин, аспирант ИШФВП, Павел Стрижак, профессор ИШФВП, Надежда Гутарева, доцент Отделения иностранных языков Школы базовой инженерной подготовки.

Описанное исследование посвящено анализу перспектив практической реализации одного из направлений решения актуальной общемировой проблемы утилизации типичных твердых бытовых отходов с выработкой энергии путем их сжигания в составе композиционных топлив, основными компонентами которого являются отходы углеобогащения и нефтепереработки.

Показано, что вовлечение таких топлив в теплоэнергетику позволит эффективно утилизировать как промышленные, так и бытовые горючие отходы. В результате анализа установлено, что при частичной замене угля (50 % по генерации энергии) эквивалентным по энерговыделению количеством перспективного композиционного топлива, экономия высококачественного твердого натурального топлива будет составлять около 1 млрд. тонн ежегодно в течение регламентированного срока эксплуатации типичного парового котла в теплоэнергетике. Разработка и внедрение соответствующих технологий будет характеризоваться положительными социальными, экологическими и экономическими эффектами.

«На примере нескольких составов композиционного топлива (с добавками древесины, пищевых отходов, пластика, картона) экспериментально обоснована устойчивость зажигания и горения капель композиционного топлива до полного выгорания в условиях, характерных для топок котлов. Установлена область гарантированных времен задержки зажигания капель группы рассмотренных составов композиционного топлива в широком диапазоне варьирования температуры окружающей среды 600–1000 °C. Минимальные значения времен задержки зажигания составляют около 3 секунд, максимальные — не превышают 25 секунд. Также экспериментально установлено, что для топливных составов с добавлением твердых бытовых отходов характерны меньшие концентрации оксидов азота и серы в газообразных продуктах сгорания по сравнению с композиционным топливом без добавления отходов», — отмечается в публикации.

 

Инженерная школа природных ресурсов

 

Моделирование наноразмерного слоя скольжения в щёточном контакте при нагреве электрическим током

Журнал: Applied Surface Science, (Q1, ИФ 5,155)

Вера Деева, доцент Школы инженерного предпринимательства, доцент отделения нефтегазового дела ИШПР, Степан Слободян, ТПУ.

«С развитием нанотехнологий изучение трибологического контакта играет все более важную роль для решения проблем трения и износа, поскольку до сих пор не удалось создать единую теорию оценки взаимосвязанных явлений, протекающих в коллекторно-щёточном узле. Как новые разработки наноструктуры материалов, так и усовершенствование вводимых в материал легирующих добавок представляет существенный интерес», — поясняют авторы.

В данной статье рассматривается контактное пространство коллекторно-щёточного узла, образующееся в результате скользящего взаимодействия шероховатых поверхностей щётки и коллектора. В предлагаемой типологической модели исследуются наноразмерные частицы износа различной формы, имеющие различную плотность упаковки, и изменение параметров контактного слоя под влияние эффекта Джоуля-Томсона в зависимости от формы наночастицы.

Используя разработанную модель, с применением теории Бэтчелора, политехники нашли, что при омическом нагреве изменения сопротивления элементарной частицы в слое скольжения при различных формах частицы износа существенно изменяет передачу тока и профиль температур щёточного контакта. Кроме того, авторы пришли к выводу, что износ щётки пропорционален дисперсности материала, из которого она изготовлена.

Результат исследования демонстрирует возможность увеличения долговечности и снижения износа щётки в трибологическом контакте коллекторно-щёточного узла, за счет правильно выбранной дисперсности материала.