Все новости
Наука 102
19 Августа 2013, 15:31

Башкирские учёные изучают нефть на микро- и наноуровне

В Уфе, на базе БГУ работает Центр микро- и наномасштабной динамики дисперсных систем. Здесь успешно решаются прикладные задачи нефтянки, медицины и других отраслей.

Фото автора.

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.

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.


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.


— 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.

— 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.


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.)

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


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

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

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.


— 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. 

Автор:Святохина Дарья