академик АР Хохлов

Умные полимеры

Полимеры - длинные линейные цепи состоящие

из большого (N gtgt1) числа одинаковых звеньев

Для синтетических полимеров как правило N ~ 102 -104

Для ДНК N ~ 109 -1010

Что такое полимер

полиэтилен

полистирол

поливинилхлорид

Электронная микрофотография макромолекулы ДНК частично высвобожденной через дефекты мембраны

Полимеры как длинные молекулярные цепи

Полимеры вокруг нас

Пластмассы Резины

Волокна Пленки

Полимеры вокруг нас

Живые системы

Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами

1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией

2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1

3 Полимерные цепи гибкие

Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров

До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы

резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные

материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры

для медицины)После 2000 умные полимеры (разные

функции в различных условиях)

Гели ndash суперабсорбенты

Гель набухший в растворителе

сшивки

полимерныецепи

Применение гелей-суперабсорбентов

сельское хозяйство

строительство

подгузники

упаковочный материал

Гели

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Полимеры - длинные линейные цепи состоящие

из большого (N gtgt1) числа одинаковых звеньев

Для синтетических полимеров как правило N ~ 102 -104

Для ДНК N ~ 109 -1010

Что такое полимер

полиэтилен

полистирол

поливинилхлорид

Электронная микрофотография макромолекулы ДНК частично высвобожденной через дефекты мембраны

Полимеры как длинные молекулярные цепи

Полимеры вокруг нас

Пластмассы Резины

Волокна Пленки

Полимеры вокруг нас

Живые системы

Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами

1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией

2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1

3 Полимерные цепи гибкие

Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров

До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы

резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные

материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры

для медицины)После 2000 умные полимеры (разные

функции в различных условиях)

Гели ndash суперабсорбенты

Гель набухший в растворителе

сшивки

полимерныецепи

Применение гелей-суперабсорбентов

сельское хозяйство

строительство

подгузники

упаковочный материал

Гели

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Электронная микрофотография макромолекулы ДНК частично высвобожденной через дефекты мембраны

Полимеры как длинные молекулярные цепи

Полимеры вокруг нас

Пластмассы Резины

Волокна Пленки

Полимеры вокруг нас

Живые системы

Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами

1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией

2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1

3 Полимерные цепи гибкие

Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров

До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы

резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные

материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры

для медицины)После 2000 умные полимеры (разные

функции в различных условиях)

Гели ndash суперабсорбенты

Гель набухший в растворителе

сшивки

полимерныецепи

Применение гелей-суперабсорбентов

сельское хозяйство

строительство

подгузники

упаковочный материал

Гели

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Полимеры вокруг нас

Пластмассы Резины

Волокна Пленки

Полимеры вокруг нас

Живые системы

Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами

1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией

2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1

3 Полимерные цепи гибкие

Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров

До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы

резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные

материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры

для медицины)После 2000 умные полимеры (разные

функции в различных условиях)

Гели ndash суперабсорбенты

Гель набухший в растворителе

сшивки

полимерныецепи

Применение гелей-суперабсорбентов

сельское хозяйство

строительство

подгузники

упаковочный материал

Гели

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Полимеры вокруг нас

Живые системы

Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами

1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией

2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1

3 Полимерные цепи гибкие

Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров

До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы

резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные

материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры

для медицины)После 2000 умные полимеры (разные

функции в различных условиях)

Гели ndash суперабсорбенты

Гель набухший в растворителе

сшивки

полимерныецепи

Применение гелей-суперабсорбентов

сельское хозяйство

строительство

подгузники

упаковочный материал

Гели

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами

1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией

2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1

3 Полимерные цепи гибкие

Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров

До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы

резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные

материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры

для медицины)После 2000 умные полимеры (разные

функции в различных условиях)

Гели ndash суперабсорбенты

Гель набухший в растворителе

сшивки

полимерныецепи

Применение гелей-суперабсорбентов

сельское хозяйство

строительство

подгузники

упаковочный материал

Гели

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров

До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы

резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные

материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры

для медицины)После 2000 умные полимеры (разные

функции в различных условиях)

Гели ndash суперабсорбенты

Гель набухший в растворителе

сшивки

полимерныецепи

Применение гелей-суперабсорбентов

сельское хозяйство

строительство

подгузники

упаковочный материал

Гели

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Гели ndash суперабсорбенты

Гель набухший в растворителе

сшивки

полимерныецепи

Применение гелей-суперабсорбентов

сельское хозяйство

строительство

подгузники

упаковочный материал

Гели

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Применение гелей-суперабсорбентов

сельское хозяйство

строительство

подгузники

упаковочный материал

Гели

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Важность ограничения водопритоков

В мире в среднем добывается

водавода

нефтьнефть

Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды

3 3 тонны водытонны воды нана

1 1 тонну нефтитонну нефти

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков

водавода водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

нефтьнефть

ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость

НефтьНефть ((без водыбез воды) )

ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти

Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Физический гель

Гидрофобный агрегат

гидрофобныезвенья

гидрофильные звенья

Гидрофобно ассоциирующие полимеры

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Состав полимера

|C=O |NH2

|C=O |

O- Na+

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-

|(CH2)n

|

CH3

3 типа мономерных единиц

гидрофобные единицы

гидрофильные заряженные

единицыгидрофильные незаряженные

единицы

Mw= 1 000 000

0-20 mol 0-3 mol n = 8 11

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

водавода

нефтьнефть

нефтьнефть

РастворРастворполимераполимера

bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины

bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти

Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

нефть вода

нефть вода

Как сделать систему laquoумнойraquo

Ингибитор гелеобразования

Не образует гель ndash

ингибитор не растворяющийся в нефти остается в

полимерном растворе

Образует гель ndash

ингибитор растворяющийся в воде покидает

полимерный раствор

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

01 1 1001

1

10

Pa

s

G

G

(Pa

)

G G

f Hz

1

10

001 01 1 10

1

10

100

1000 G G

G G

(P

a)

f Hz

нефть вода

G=016 Pa G=67 Pa

Ассоциирующий полимер

amide 15-C1215AA

Избирательное гелеобразование

Раствор с низкой вязкостью Гель

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Вывод

Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для

контроля водопритоков в нефтедобывающей

скважине Она сама находит место притока воды и

блокирует его

1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)

2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)

3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)

4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293

Публикации

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи

bull Блокирование водопритоков

в скважине

bull Гидроразрыв пласта

Два направления использования в нефтедобыче

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Жидкости для гидроразрыва пласта

bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой

Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Вязкоупругие ПАВ

C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646

Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl

Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы

Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами

гидрофобная часть

гидрофильная часть

цилиндрические мицеллы сетка

200nm

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3

CH2 CH2OH |

|

CH2 CH2OH

Cl-

C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+

Анионные ПАВ Олеат калия

Вязкоупругие ПАВ

Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

200C

Влияние углеводородовРеология

Раствор 6 вес KCl в воде

bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков

до

после

Олеат калия 04 вес

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

сферические сферические мицеллымицеллы

Влияние углеводородовSANS

bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки

n-гептан

Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы

до

после

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

600C

bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей

200C

G0

200C

400C600C

_

0`` LlGGмин =1

Влияние температуры

Раствор 3 вес KCl в воде

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта

Преимущества вязкоупругих ПАВ

- чувствительны к углеводородам

Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти

Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости

- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Упрочнение сетки при добавлении полимера

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Полимер

|C=O |NH2

|C=O |NH

-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-

|(CH2)11

|

CH3

гидрофобные единицыгидрофильные

незаряженныеединицы

01-02 mol

Mw=800 000 gmol

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде

600C

bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно

polymer

polymerJ508

J508

Увеличение вязкости

мицеллярные мицеллярные цепицепи

полимерные полимерные цепицепи

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

200C600C

600C

Влияние температуры

Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде

bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Чувствительность к углеводородамРеология

bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде

10-4 10-2 100 102 10410-4

10-2

100

102

Vis

cosi

ty (

Pa

s)

Shear rate (s-1)

после

до

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

hydrocarbon

Чувствительность к углеводородамSANS

bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки

Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде

после

до

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Вывод

Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами

Публикации

1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530

2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю

Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности

Применение

bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля

bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Метод

зональная изоляция под

действием магнитного поля

Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат натрияbull магнитные частицы

Ca2+

Ca2+

CaCl2

альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)

альгинат микрогели сшитые Ca2+

Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Приготовление магнитных гранул

bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент

CaCl2 растворитель

альгинат гель сшитый Ca2+

Магнитные частицы

сшивающий агент

1-3 wt Ca2+

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Магнитные частицы

Химформула

Произво-дитель

Размер частиц

нм

Намагни-ченость

насыщенияemug

Остаточная намагни-ченость

emug

Коэрци-тивная сила

Oe

Fe3O4Aldrich 031 100 197 95

γ-Fe2O3GNIKTEOS 08

(anisometry

120)

80 40 320

CoO

Fe2O3

GNIKTEOS 05 80 60 670

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Магнитные гранулы

1

32

(1) Гранулы без наполнителя

(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4

(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3

1 cм

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Методинкапсулирование сшивающего агента

Магнитные частицы

сшивающий агент

Гранулы Капсулы

bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта

2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле

3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы

Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем

21 3

Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Какие полимеры самые умные

Живые системы

Они могут выполнять несравненно более сложные и

разнообразные функции чем любые системы

искуственно созданные человеком

Биомиметический подход изучить как устроены

биополимерные структуры в живых системах и

реализовать аналогичные типы самоорганизации для

синтетических полимерных систем

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах

Уникальная пространственная структура

многих биополимеров (например глобулярных

белков) определяется последовательностью

звеньев в цепи

Можно ли добиться аналогичной

самоорганизации для синтетических полимеров

laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456

Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах

2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии

Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу

Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров

Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула

Стадия 2

Гомополимерный клубок с исключенным объемом

Стадия 1

Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется

Стадия 3

Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов

Стадия 4

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Белковоподобный сополимер

ltRg2gtcore= 741

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя

Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют

H H H

P P

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1

Около 20 глобул образуют агрегаты

H H H

P P

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных

глобул

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049

ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная

реализация

bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308

ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол

bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон

bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33

ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Коллагеноподобная глобула

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах

bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции

Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный

В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях

Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров

Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти

Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев

laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле

Переходв клубок

Сворачиваниев новую глобулу

etc

Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)

В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Белковоподобный

сополимер

ltRg2gtcore=741

Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066

Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901

ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =

покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +

новая покраска + hellip и тд

HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)

ldquoAscending branchrdquo of evolution

ldquoDescending branchrdquo of evolution

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Топливные элементы устройство и принцип действия

Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Сравнение эффективности различных способов генерации электричества

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Н2О

О2

Н2

Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Требования к полимерной мембране ТЭ

bull Хорошая протонная проводимость

bull Отсутствие электронной проводимости

bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)

bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Химическая структура (Nafion и аналоги)

x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals

CF2 CF2 CF CF2

OCF2CF

CF3

O(CF2)2SO3H

x y

z

bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+

X+ полианион

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Морфология мембран из Нафиона

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Огибающая гидрофобной части

Микрофазное расслоение

Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами

Микрофазное расслоение

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран

Преимуществаbull хорошая протонная

проводимостьbull достаточная механическая

прочность и химическая стабильность

bull низкая газопроницаемость

Недостаткиbull проводимость

определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)

bull высокая стоимость

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале

(140 ndash 180degС)

1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов

2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)

3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла

4 Упрощение систем охлаждения

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Новые мембраны для топливных элементов

Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)

CO

C

O

NH

N

O NH

N

ПБИ-О-ФТ

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм

Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Применение топливных элементов

bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение

bull Автомобилестроение

bull Энергоустановки для ЖКХ

bull Портативные устройства

bull Электростанции на ТЭ

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV

Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ

bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ

bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Наименее всего требовательны к стоимости за кВт

НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам

Портативные устройства

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно

с введением Евро-4 и Евро-5)

Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек

bull Растущий доход населения в Китае и Индии

Украшения из платины

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР

наночастицыполимерная матрица

Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Широкие возможности практического применения новых материалов

в однородных полях в неоднородных полях

магнитоконтролируемый модуль упругости

гигантская магнитострикция

HH

Влияние магнитных полей

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Магнитоуправляемые эластомеры

bull Синтез магнитных эластомеров

bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях

bull Возможные области применения

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Синтез магнитных эластомеров

Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n

Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм

Полимеризация композиции

при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Синтез структурированных магнитных эластомеров

H

Полюса магнита

a 400 m b 400 m c 400 m

5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

s N

PB)

Вязкоупругое поведение

Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)

P

S N

A)

P

S N

C)

SN

D)

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле

Типичная зависимость напряжения от

деформации при сжатии в магнитном поле

Fx

H

Нап

ряж

ение

кП

а

bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис

зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash

появление свойства пластичности (или эффекта памяти)

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Структура поверхности в отраженном свете

H = 0 H = 2 kOe

50 m

Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

существенный гистерезисH

Гигантская магнитострикция

Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля

00 02 04 06 08100

104

108

112

116

120

Sam

ple

len

gth

L

L0

Magnetc field H (Tesla)

Fe 35

Дл

ина

об

разц

а L

L0

Магнитное поле H Тл

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле

02 04 06 08 10

1

2

3

H=001T

Нап

ряж

ение

кП

а

---2

H=005T

Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Остаточная деформация в однородном магнитном поле

1E-3 001 01 106

07

08

09

10

Fe3O

4 =140

Fe3O

4 =243

Fe =71

Fe =223

Fe =276

Magnetic filed H Т

rela

tive

com

pres

sion

(0

)

bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Статические измерения модуля упругости Н

апр

яже

ние

кП

аН

апр

яже

ние

кП

а

Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях

10-3 10-2 10-1 100

100

101

102

Fe =30

Fe =20

Fe =10

Fe3O

4 =15

Fe3O

4 =25

rela

tive

she

ar m

odul

us G

(H)

G(0

)

Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного

поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr

bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

0 1 2 3 4 5

0

50

100

150

200

250

G

G

kP

a

f Hz

1

1

22

Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)

Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка

Динамические измерения модуля упругости

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Структурированные композиты

0 50 100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

Fe d~1-70microm =35

G P

a

H mT

FH

FH

F

H

F

H

Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Поведение материалов в переменном магнитном поле

соленоид

A

V=0 V=0-200V

образец

Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля

Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H

Ам

пли

туд

а

ω Гц

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv

Эксперименты по демпфированию

0 10 20 3000

05

10

15

20

d

Cv []

H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe

S N

m

Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)

Cv=175

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec

deg

ree H=0

Н=580 Э

Cv=30

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 2 4 6

t sec

a d

egre

e Н=0

Н=580 ЭOeOe

t [с] t [с]α г

рад

ус

α г

рад

ус

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

Уплотнение больших поверхностей

Вакуум

Манометер

Магнитный композит

магнит

Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм

Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля

0 1000 2000 300000

02

04

06

08

10

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 32 mT H= 95 mT

0 500 1000 150000

03

06

09

p [bar]

time [s]

H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT

Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133

865

4

3

21

Электромагнитный клапан(патент РФ)

0

02

04

06

08

1

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350

Magnetic field H mT

Air

flo

w

V

Lm

in

P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa

Электромагнитный клапан

SN

P

дисплей

сенсор потока

клапанманометр

компрессорвыход

подача газа

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54
• Slide 58
• Slide 59
• Slide 60
• Slide 61
• Slide 62
• Slide 63
• Slide 64
• Slide 65
• Slide 66
• Slide 67
• Slide 68
• Slide 69
• Slide 70
• Slide 71
• Slide 72
• Slide 73
• Slide 74
• Slide 75
• Slide 76
• Slide 77
• Slide 78
• Slide 79
• Slide 80
• Slide 114
• Slide 115
• Slide 116
• Slide 117
• Slide 118
• Slide 119
• Slide 120
• Slide 121
• Slide 122
• Slide 123
• Slide 124
• Slide 125
• Slide 126
• Slide 127
• Slide 128
• Slide 129
• Slide 130
• Slide 131
• Slide 132
• Slide 133