Технологии улучшения эксплуатационных характеристик динамических газожидкостных теплоэнергетических установок при управляемом лазерном индуцировании регулируемых локальных конфигураций топологических микрои наноструктур на внутренней металлической поверхности рабочих камер

В исследовании рассмотрено одно из направлений современной наноинженерии поверхности по технологиям управляемого формирования топологических покрытий заданной конфигурации при лазерном воздействии на различные образцы с учетом подходов для сложных нелинейных термодинамических систем с развитием динамических неравновесных процессов. Предлагаемые технологии имеют универсальный характер и весьма перспективны, в частности, для металлических материалов в рабочих камерах теплоэнергетических установок. При этом акцент сделан на новых физических принципах изменения функциональных характеристик материала образца с их оптимизацией под конкретные условия эксплуатации образца с формированием 1D – 3D микро и наноструктур, в том числе дендритного типа с фрактальными объектами. Использованы методы управляемого лазерного синтеза поверхностных топологических структур в разных схемах эксперимента с лазерной абляцией. Эти регулируемые процессы реализуются на поверхности изделий без изменения объемных характеристик материала в отличие от технологий стандартной его термической обработки, например, для повышения износостойкости. В первой части представляемой статьи речь идет о фундаментальной проблеме лазерной термодинамики возникновения дендритных/фрактальных структур на поверхности материала в условиях развития нестационарных теплофизических процессов. Акцент сделан на устойчивых поверхностных состояниях материала при его специализированной предварительной лазерной обработке, включая синтез различных неоднородных и многослойных конфигураций на поверхности с определенной 3D-топологией. Обсуждаются возможности достижения регулируемым способом необходимых характеристик используемого материала для улучшения эксплуатационных свойств различных систем. В частности, это относится и к динамическим газожидкостным теплоэнергетическим установкам при управляемом лазерном наведении регулируемых локальных конфигураций топологических микро и наноструктур на внутренней металлической поверхности их рабочих камер. В качестве экспериментальной

1. Динамические процессы развития трещиноватости фрактального типа: модели для твердотельного материала камеры энергетической установки в процессе ее эксплуатации / Т. B. Рыжова, Д. Н. Бухаров, М. М. Аракелян, С. М. Аракелян // Энергетика. Изв. высш.учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 2. C. 152–172. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-2-152-172.

2. Самопроизвольное зарастание трещиноватости в рабочих камерах энергетических газожидкостных тепловых установок – диффузионные динамические процессы / Т. B. Рыжова, Д. Н. Бухаров, М. М. Аракелян, С. М. Аракелян // Энергетика. Изв. высш.учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. T. 67, № 4. С. 345–362. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-4-345-362.

3. Электрофизика углеродных 1D-структур, полученных в лазерном эксперименте: модели и демонстрация / С. В. Гарнов, Д. В. Абрамов, Д. Н. Бухаров [и др.] // Успехи физических наук. 2024. Т. 194, № 2. С. 115–137. https://doi.org/10.3367/UFNr.2023.12.039620.

4. Synthesis of Allotropic Forms of Carbon in a Laser Experiment: 1D–3D Topological Configurations with Carbon Nanotubes and Diamond-Like Systems / K. S. Khorkov, D. N. Bukharov, Ya. V. Podoprigora [et al.] // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2024. Vol. 88. P. 2022–2033. https://doi.org/10.1134/S1062873824708638.

5. Bukharov, D. N. Nanocluster Fractal Electrical Conductivity in Thin Films on a Solid Surface: Dimensional Models of Different Configurations and Demonstration of Results in a Laser Experiment / D. N. Bukharov, A. O. Kucherik, S. M. Arakelian // Journal of Advanced Materials and Technologies. 2023. Vol. 8, No 3. P. 227–251. https://doi.org/10.17277/jamt.2023.03.pp.227-251.

6. Technologies for Controlled Synthesis and Characteristics of Thin-Layer Topological Nanoobjects and Nanoclusters under Laser Irradiation on Solid Targets: Algorithms and Modeling, Quantum Bistability in 1D-Microstructures and Analogy with Carbon Nanotubes / D. N. Bukharov, T. A. Khudayberganov, A. G. Tkachev, S. M. Arakelian // Journal of Advanced Materials and Technologies. 2024. Vol. 9, No 1. P. 60–74. https://doi.org/10.17277/jamt.2024.01.pp.060-074.

7. Александров, Д. В. Дендритный рост с вынужденной конвекцией: методы анализа и экспериментальные тесты / Д. В. Александров, П. К. Галенко // Успехи физических наук. 2014. Т. 184, №. 8. С. 833–850. https://doi.org/10.3367/UFNr.0184.201408b.0833.

8. The Crossover between Tunnel and Hopping Conductivity in Granulated Films of Noble Metals / A. Kavokin, S. Kutrovskaya, A. Kucherik [et al.] // Superlattices and Microstructures. 2017. V. 111. P. 335–339. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2017.06.050.

9. Электрические характеристики полимерных композитов, содержащих углеродные нанотрубки / А. В. Елецкий, А. А. Книжник, Б. В. Потапкин, Х. М. Кенни // Успехи физических наук. 2015. T. 185, № 3. C. 225–270. https://doi.org/10.3367/UFNr.0185.201503a.0225.

10. Bauhofer, W. A Review and Analysis of Electrical Percolation in Carbon Nanotube Polymer Composites / W. Bauhofer, J. Z. Kovacs // Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69, No 10. P. 1486–1498. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.018.

11. Елецкий, A. В. Транспортные свойства углеродных нанотрубок / А. В. Елецкий // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 3. С. 225–242. https://doi.org/10.3367/UFNr.0179.200903a.0225.

12. The Dominant Role of Tunneling in the Conductivity of Carbon Nanofiber Epoxy Composites / P. Cardoso, P. Cardoso, J. Silva, A. J. Paleo [et al.] // Physica Status Solidi (A). 2010. Vol. 207, No 2. P. 407–410. https://doi.org/10.1002/pssa.200925334.

13. Charge Transport and Tunneling in Single-Walled Carbon Nanotube Bundles / M. Salvato, M. Cirillo, M. Lucci [et al.] // Physical Review Letters. 2008. Vol. 101, No 24. P. 246804. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.246804.

14. The Laser-Assisted Synthesis of Linear Carbon Chains Stabilized by Noble Metal Particle / A. O. Kucherik, A. V. Osipov, S. M. Arakelian [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1164. P. 012006. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1164/1/012006.

15. Forgerini, F. L. A Brief Review of Mathematical Models of Thin Film Growth and Surfaces: A Possible Route to Avoid Defects in Stents / F. L. Forgerini, R. Marchiori // Biomatter. 2014. Vol. 4, No 1. P. 28871. https://doi.org/10.4161/biom.28871.

16. Römer, G. R. B. E. Matlab Laser Toolbox / G. R. B. E. Römer, A. J. Huis in ’t Veld // Physics Procedia. 2010. Vol. 5, Part B. P. 413–419. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2010.08.068.

17. Самарский, A. A. Вычислительная термодинамика / A. A. Самарский, П. Н. Вабищевич. M.: URSS, 2020. 784 с.

18. Бухаров, Д. Н. Термодиффузионная модель системы нанокластеров теллурида свинца / Д. Н. Бухаров // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: сб. трудов XVIII Всерос. конф. молодых ученых. Саратов: Техно-Декор, 2023. С. 36–37.

19. Zuev, A. Yu. Defect Structure and Oxide Ion Transport in Srand Cr-doped LaCoO3-δ / A. Yu. Zuev, A. I. Vylkov, D. S. Tsvetkov // Solid State Ionics. 2011. Vol. 192, No 1. P. 220–224. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2010.05.049.

20. Low-Field Onset of Wannier-Stark Localization in a Polycrystalline Hybrid Organic Inorganic Perovskite / D. Berghoff, J. Bühler, M. Bonn [et al.] // Nature Communications. 2021. Vol. 12, No 1. P. 5719. https://doi.org/10.1038/s41467-021-26021-4.

21. Frey, P. Realization of a Discrete Time Crystal on 57 Qubits of a Quantum Computer/ P. Frey, S. Rachel // Science Advances. 2022. Vol. 8, No 9. P. 7652. https://doi.org/10.1126/sciadv.abm7652.

22. Preparation, Characterization, and Modeling of Carbon Nanofiber/Epoxy Nanocomposites / L.-H. Sun, Z. Ounaies, Zoubeida, X.-L. Gao [et al.] // Journal of Nanomaterials. 2011. Vol. 2011. Art. 307589. https://doi.org/10.1155/2011/307589.

23. Magomedov, M.N. On the Baric Fragmentation of a Crystal / M. N. Magomedov // Physics of the Solid State. 2003. Vol. 45, No 5. P. 953–956. http://doi.org/10.1134/1.1575343.

24. Laser-Induced Synthesis of Nanostructured Metal-Carbon Clusters and Complexes / S. Arakelian, S. Kutrovskaya, A. Kucherik [et al.] // Optical and Quantum Electronics. 2016. Vol. 48, No 11. Art. No 505. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0776-7.

25. Cannella, C. B. Carbyne Fiber Synthesis within Evaporating Metallic Liquid Carbon / C. B. Cannella, N. Goldman // The Journal of Physical Chemistry C. 2015. Vol. 119, No 37. P. 21605–21611. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b03781.

26. Long Linear Carbon Chain – Laser-Induced Structures and Possible Applications / S. V. Kutrovskaya, S. М. Arakelian, A. O. Kucherik [et al.] // Laser Physics. 2019. Vol. 29, No 8. P. 085901. http://doi.org/10.1088/1555-6611/ab183a.

27. Two-Step Laser-Induced Synthesis of Linear Carbon Chains / A. O. Kucherik, S. M. Arakelian, S. V. Garnov [et al.] // Kvantovaya elektronika = Quantum Electronics. 2016. Vol. 46, No 7. P. 627–633. http://doi.org/10.1070/QEL16128.

28. Ландау, Л. Д. Теоретическая физика: в 10 т. / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Изд. 5-е, стер. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. Т. V. Статистическая физика. Ч. 1. 616 с.

29. Поверхностная топология энтропии смешения в результате двухимпульсной лазерной абляции нержавеющей стали / Д. Д. Тумаркина, О. Я. Бутковский, А. В. Болачков, А. А. Бурцев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. Вып. 15. С. 869–878. http://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.869.

30. Структура и физико-химические свойства наноструктурированных пленок оксидов металлов – чувствительного слоя газовых сенсоров / Т. В. Белышева, А. К. Гатин, М. В. Гришин [и др.] // Химическая физика. 2015. Т. 34, № 9. С. 56. https://doi.org/10.7868/S0207401X15090046.

31. Eden Model Simulation of Re-Epithelialization and Angiogenesis of an Epidermal Wound / E. Agyingi, L. Wakabayashi, T. Wiandt, S. Maggelakis // Processes. 2018. Vol. 6, No 11. P. 207. https://doi.org/10.3390/pr6110207.

32. Москалев, П. В. Анализ структуры перколяционного кластера / П. В. Москалев // Журнал технической физики. 2009. Т. 79, № 6. С. 1–7.

33. Рыжикова, Ю. В. Фрактальные свойства самоорганизующихся дендритных структур / Ю. В. Рыжикова, С. Б. Рыжиков // Ученые записки физического факультета Московского университета. 2018. №. 5. C. 1850401-1-1850401-7.

34. Mroczka, J. Algorithms and Methods for Analysis of the Optical Structure Factor of Fractal Aggregates/ J. Mroczka, M. Woźniak, F.R.A. Onofri// Metrology and Measurement Systems. 2012. Vol. 19, No 3. P. 459–470. http://doi.org/10.2478/v10178-012-0039-2.

35. Çağdaş, A., Diffusion Limited Aggregation via Python: Dendritic Structures and Algorithmic Art / A. Çağdaş, Y. Allahverdi // Journal of Scientific Reports-A. 2024. Vol. 58. P. 99–112. https://doi.org/10.59313/jsr-a.1454389.

36. Zaitsev, D. A. A Generalized Neighborhood for Cellular Automata / D. A. Zaitsev // Theoretical Computer Science. 2017. Vol. 666. P. 21–35. https://doi.org/10.1016/j.tcs.2016.11.002.

37. Ампилова, Н. Б. Алгоритмы фрактального анализа изображений / Н. Б. Ампилова, И. П. Соловьев // Компьютерные инструменты в образовании. 2012. № 2. С. 19–24.

38. Исмагилов, Р. Г. Электрическое поле вблизи проводящего острия / Р. Г. Исмагилов // Технологии. Инновации. Связь: сб. материалов научно-практ. конф. СПб., 2022. C. 39–41.