Уважаемые читатели! Сайт отображается в мобильной версии. Для отображения полной версии сайта необходимо открыть сайт в окне шириною не менее 1024 пикселей.

Башкирские учёные изучают нефть на микро- и наноуровне

Башкирские учёные изучают нефть на микро- и наноуровне Фото автора. Фото автора.
19.08.2013 13:31:58

Вот уже третий год в Уфе, на базе БГУ работает Центр микро- и наномасштабной динамики дисперсных систем. Исследования, проводимые в центре, действительно уникальны. Благодаря экспериментам с использованием современного оборудования здесь успешно решаются прикладные задачи «нефтянки», медицины и других отраслей. Финансирование ведётся в рамках мегагранта Правительства РФ.

Подробно о работе центра рассказывает его руководитель, член-корреспондент Академии наук РБ, доктор физико-математических наук, профессор Искандер Ахатов.

Фото автора.

Справка «Электрогазеты»: Искандер Ахатов родился в Уфе, окончил гимназию № 39, физический факультет Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, защитил в Москве диссертацию и вернулся работать в Башкирский государственный университет. Получил докторскую степень, работал заведующим кафедрой механики БГУ, директором Института механики УНЦ РАН. Затем уехал в США. В настоящее время — член-корреспондент Академии наук РБ, профессор механики университета штата Северная Дакота, США.

— В 2010 году российское правительство объявило конкурс на финансирование создания новых лабораторий ведущими мировыми учёными, — рассказывает Искандер Ахатов. — Предполагалось, что учёный приезжает из-за рубежа, создаёт в России лабораторию, укомплектовывает кадрами и оборудованием, запускает в работу. На эти цели выдаётся серьезное финансирование — до пяти миллионов долларов на два года. Я на тот момент уже работал в Америке. Поэтому по приглашению руководства БГУ я составил заявку — предложение о создании в БГУ центра дисперсных систем, пригласил двух своих коллег — профессора Клауса-Дитера Оля (Сингапур) и профессора Наиля Гумерова (США). И наша заявка выиграла! Всего по России эти гранты в 2010 году получили 40 учёных.

Центр существует уже третий год. Постепенно формируется коллектив. Сейчас у нас 30 сотрудников (половина из них — аспиранты). Одна из самых важных целей центра — воспитать молодежь. А в том, что  молодежь умная и образованная есть, сомневаться не приходится.

— Чем мы занимаемся? Объектом изучения в центре являются дисперсные системы, — объясняет исполнительный директор центра Виктор Киреев. — Классический пример дисперсной системы — водонефтяные эмульсии (капельки воды, распределённые в нефти). Для республики это актуальное направление. Другой пример — кровь. Это биологическая дисперсная система (плазма, в которой плавают красные и белые кровяные тельца). Ещё один пример — пылинки в воздухе. Всё описывается одними и теми же законами физики, одними и теми же уравнениями. Таким образом, получив навыки в работе с нефтью, с минимальными затратами можно перейти к другим дисперсным системам — кровь, лимфа. И поэтому результаты наших исследований важны и в медицине.

Фото автора.

Водонефтяные эмульсии мы изучаем не в крупных масштабах (огромных трубах), а на микро- и наноуровне. Дисперсную среду мы запускаем в микроканал и следим за её течением в микроскоп. При этом мы не просто наблюдаем, но и воздействуем на эмульсию различными полями — ультразвуковым, электромагнитным, а также лазерным излучением. При таком воздействии дисперсная среда меняется. Например, одна большая капелька воды в нефти может разбиться на 100 маленьких. Или наоборот, много мелких капель соберутся в одну большую. И т.п.

Кроме того, мы проводим исследования на наноуровне. Для этих целей в центре имеется атомно-силовой микроскоп. Он позволяет исследовать вещество на уровне атомного взаимодействия.

На словах звучит увлекательно, но еще интереснее — увидеть всё своими глазами. Инженеры центра разрешили корреспонденту «Электрогазеты» ознакомиться с новейшим лабораторным оборудованием.

Это, к примеру, лаборатория мягкой литографии. Её назначение в том, чтобы изготавливать микроустройства со специальными каналами. Именно в них сотрудники центра наблюдают течение дисперсных жидкостей.

Фото автора.

— В лаборатории можно изготовить каналы любой геометрии (дизайна), — подчёркивает  Виктор Киреев. — Само по себе устройство для наблюдения выглядит просто. Это стеклянная подложка и слой мягкого пластика. Между ними образованы мельчайшие каналы (углубления), по которым течёт дисперсная жидкость.

Это установка по акустическому воздействию на дисперсную жидкость. Здесь имеется сосуд, к нему прикреплен пьезоэлемент. Пьезоэлемент при подаче напряжения колеблется с очень высокой скоростью, образуя акустическое поле.

Фото автора.

— В результате мы наблюдаем интересные эффекты, — поясняет Виктор Киреев. —  Например, самоорганизацию пузырьков — пузырьки, которые были распределены равномерно, начинают собираться в особые структуры в соответствии со структурой акустического поля.

Очень интересны результаты воздействия не только акустического, но и электромагнитного поля. Оказывается, под воздействием последнего капельки воды в нефти выстраиваются в цепочки и затем сливаются в большие капли. После чего их можно легко удалить.

— В чём практическая польза этого явления? Большие капли воды из нефти удаляются традиционными способами — например, при прокручивании в центрифуге. Но маленькие капельки воды остаются. И это серьёзная проблема для нефтяников. Воздействие электромагнитным полем может решить этот вопрос, — объясняет сотрудник центра.

Фото автора.

На фото — к мельчайшим каналам, по которым проходит дисперсная жидкость, подведены электроды.

На этом приборе происходит лазерное воздействие на дисперсную систему. Лазер «стреляет» по жидкости, и дисперсные частицы меняют своё поведение (дробятся, сливаются, расходятся и т.п.)

Фото автора.

Фото автора.

Эти эффекты снимаются на высокоскоростную камеру (до 700 тысяч кадров в секунду). Только с помощью камеры можно увидеть этот процесс, занимающий миллионные доли секунды.

Фото автора.

А это атомно-силовой микроскоп. Подобно слепому, ощупывающему незнакомый предмет, он с мельчайшей точностью сканирует поверхность любого объекта. 

Фото автора.

С его помощью можно получать топографию поверхностей водяных капель с разрешением пять на пять нанометров.

Фото автора.

Стоит отметить, что в центре два подразделения — экспериментальная лаборатория (ее возглавляет профессор Клаус-Дитер Оль) и вычислительная (руководитель — профессор Наиль Гумеров). Все процессы, которые инженеры-физики наблюдают в экспериментальной лаборатории, затем моделируются на компьютере с применением высокопроизводительных вычислений. Для чего это нужно?

— Выполнив эксперимент, мы обязательно должны составить математическую модель, — поясняют специалисты. — Если результаты реального эксперимента и численного эксперимента совпадают, то можно сказать, что всё хорошо (эксперимент отражает действительность). Хотя это происходит не всегда.

В помощь учёным предназначен суперкомпьютер — вычислительный кластер. Он очень быстро производит рутинные операции.

Фото автора.

— Как видите, здесь два системных блока. В каждом из них содержится четыре графических карты Nvidia Tesla. В одной такой графической карте более сотни «ядер», что позволяет выполнить триллион однотипных операций в секунду.

Чем будет заниматься центр через пять-семь лет? По словам учёных, исследующих поведение дисперсных сред, их интересуют фундаментальные вопросы, открытие новых эффектов и законов. С другой стороны, делать «чистую науку» невозможно. Поэтому много времени исследователи уделяют решению прикладных задач. Иными словами, их исследования имеют конкретное применение в конкретной отрасли.

— В будущем мы планируем развивать также биомедицинское направление, — обещает Искандер Ахатов. — Лимфа и кровь — тоже дисперсные системы, только более сложные. Это задача на перспективу. Понятно, что результаты исследований, связанных с нефтяной индустрией, имеют конкретного потребителя — нефтяные компании. Но биомедицинская тематика в будущем тоже станет востребованной. И мы к этому готовимся. На сегодня центр налаживает сотрудничество с биологами БГУ и медиками БГМУ.

Еще одна актуальная задача — очистка поверхности компьютерных чипов от загрязнений. Дело в том, что к поверхности микрочипа может прилипнуть мусор из окружающего воздуха, к примеру, наночастицы пыли. Понятно, что почистить щёткой поверхность чипа нельзя — повредится его структура. Один из способов — поместить чип в жидкость и создать в ней пузырьки газа. Пузырьки, колеблясь рядом с поверхностью чипа, будут снимать пылинки. Это одно из направлений, которым мы сейчас занимаемся.

— Недавно был объявлен конкурс на продолжение мегагрантов. И мы снова выиграли — получили финансирование ещё на два года, — говорит Искандер Ахатов. — Тем не менее, в ближайшие годы центр должен перестроиться, чтобы существовать на средства внешних инвесторов. 


Назад в раздел Печать
Если вы заметили ошибку в статье, сообщите об этом в редакцию, выделив мышью слово с ошибкой и нажав Ctrl+Enter. Ваша помощь в улучшении материалов для нас неоценима!
Чтобы проголосовать за материал, необходимо авторизоваться на сайте
Голосов: 1, Баллов: 5

Мне нравится0
Радик Мухарямов
Один из героев говорит: "поместить чип в жидкость и создать в ней пузырьки газа"
Это в смысле компьютерные блоки будут охлаждаться жидкостью с газом? Это видимо несколько удорожит производство, но зато позволит дополнительно более эффективно охлаждать комп.
Мне нравится0
Айдар Бикмаев
Радик, компы с водяных охлаждением производятся давно, это немного другое
Мне нравится0
Фанис Хамматов
По-моему Назип Хатмуллович Валитов(профессор химии БГУ) занимался этими проблемами. Насколько можно использовать (и используются ли ) его труды в этой области?
Мне нравится0
Аустенит
Классна!

А зачем такие мощные видеокарты? Кстати, я о таких даже не слышал.
И как работает атомно-силовой микроскоп?

Дико классно! Кстати, всегда думал, что это капельки нефти плавают в воде, а не наоборот :oops:
Мне нравится0
Аустенит
Цитата
— В будущем мы планируем развивать также биомедицинское направление, — обещает Искандер Ахатов. — Лимфа и кровь — тоже дисперсные системы, только более сложные. Это задача на перспективу. Понятно, что результаты исследований, связанных с нефтяной индустрией, имеют конкретного потребителя — нефтяные компании. Но биомедицинская тематика в будущем тоже станет востребованной.
Пусть эти нефтяные компании сосут! Они уже не в фаворе! Все! Кончилась эпоха черного золота! Их удел, это цены на бензин повышать!

Че там с биомедициной крови? Уже есть какие-либо наработки?
Мне нравится0
Аустенит
С видеокартами разобрался. Вот что сказал друган:
Цитата
хотя, нет. полезна. распараллеливает вычисления в процем. но стоит дико.
Понятно! :)
Мне нравится0
Аустенит
Сосудистые заболевания, между прочим, очень распространенное явление. И их лечение связано с весьма солидными затратами.

Это я к тому, что нефтяные компании пусть сосут!
Мне нравится1
daniela
Цитата
Аустенит пишет:
Уже есть какие-либо наработки?
Это направление осваивается только с 2013 года, поэтому о наработках пока говорить рано
Мне нравится0
Аустенит
Цитата
daniela пишет:
Цитата
Аустенит пишет:
Уже есть какие-либо наработки?
Это направление осваивается только с 2013 года, поэтому о наработках пока говорить рано
Понял, спасибо!
Просто на сколько я знаю, работы касающиеся крови, и прежде всего лейкоцитов и тромбоцитов, ведутся во всем мире. Это очень востребованная область. Было бы опрометчиво не обратить на нее пристальное внимание, распаляясь на нефть. Нефть, это ограниченный ресурс и, так или иначе, он иссякнет. Что же касаемо крови, то в ближайшие столетия человек от нее не откажется ;) .
Мне нравится1
Фанис Хамматов
Однако продолжим построение модели. Ситуация, когда физический объект моделируется как совокупность совмещенных энергетических структур, является не совсем обычной, поскольку в каждой точке мы имеем несколько наборов физических величин, каждый из которых относится к своей структуре. Подобная ситуация с успехом разрешается в механике сплошной среды при описании многофазных смесей (аэрозолей, суспензий, газовзвесей, пузырьковых жидкостей и т. д.). Делается это при помощи введения понятия многоскоростного континуума*, который представляет собой совокупность континуумов — каждый из них относится к своей фазе (твердой, жидкой или газообразной), входящей в состав многофазной среды, и характеризуется собственным набором физических величин. Если состав гетерогенной смеси удовлетворяет определенным ограничениям, то многофазную среду можно моделировать как совокупность непрерывных фаз в виде взаимопроникающих континуумов. Каждый элемент объема в этом случае содержит несколько плотностей, скоростей и других величин, относящихся к своей фазе. В нашей модели мы имеем аналогичную ситуацию — совокупность взаимопроникающих квантовых полей, когда в каждом элементарном объеме есть несколько наборов физических величин, относящихся к своему полю.
Мне нравится1
Фанис Хамматов
Лет 25 назад я работал гл.зоотехником крупного молочного совхоза Башкирии (2500 гол.коров). Для облегчения труда доярок ,мы начали применять молокопроводы и это отразилось на жирности молока сдаваемого на молокозаводы. Жирность молока упала на 0,2-0,3%. Я начал изучать это снижение жирности и обнаружил,что причина в гомогенизации молока на молокопроводах из-за гидродинамического удара. Просто ,болтанка молока на стеклопроводах, при доении вукуумом. Само по себе гомогенизация не опасна,таже полезна,т.к. не осаждается жировая пленка при транспортировке и хранении. Но оказалось, что при определении жира в молоке на жиромерах с применением серной кислоты и изоамилового спирта, гомогенизированные жировые шарики "сгорали" в серной кислоте и давали погрешность при определении жирности в сторону уменьшения. Так мы "обогощали" молзаводы излишней продукцией.
Возможно теперь применяют новые методы определения жира в молоке, спектральные,фотометрические и еще какие,я уже давно не в теме. Вспомнил прочитавши работу ученых с нефтесмесями.

Авторизуйтесь или войдите через любой соц. сервис для комментирования и оценки материалов: