Введение к работе
Актуальность исследования. Пространственно-временные структуры, возникающие при неравновесных процессах, являются в настоящее время предметом интенсивного теоретического и экспериментального изучения. К актуальным и практически важным относится проблема неравновесного роста кристалла из раствора/расплава, в результате которого при определенных размерах кристалла и степени пересыщения/переохлаждения возникают скелетные и дендритные (древовидные) формы.
Несмотря на то, что дендритный рост интенсивно изучается уже, по крайней мере, последние двадцать лет, многие вопросы либо не рассмотрены до конца, либо не рассматривались.
-
При описании потери устойчивости кристалла традиционным является использование теории возмущений. Однако в литературе практически отсутствует подход к проблеме с точки зрения нелокальной неравновесной термодинамики, который представляется перспективным.
-
Если аналитическими методами удается описать основные закономерности потери устойчивости, то при описании развитого дендритного роста их использование достаточно ограничено. Соответственно на первый план выступают методы компьютерного моделирования, из которых весьма перспективным является метод клеточных автоматов. Однако в традиционном виде данный метод трудно использовать для каких-либо количественных оценок. Разработка модифицированного метода клеточных автоматов, в котором была бы реализована возможность количественных расчетов кинетических характеристик кристаллического роста, является важной задачей.
-
Из эксперимента известно, что причиной дендритного роста из раствора является, помимо неоднородности диффузионного поля, кинетическое действие примеси (в частности, фазово-расслаивающейся). Однако вопрос совместного действия обеих причин, ведущих к дендритному росту ( и поля концентрации, и примеси), слабо изучен.
Цель работы состояла, во-первых, в анализе с точки зрения термодинамики необратимых процессов потери устойчивости растущего кристалла из раствора (в изотермо-изобарических условиях) и, во-вторых, в анализе морфокинетических закономерностей развития неустойчивости и дендритного роста при росте из раствора и из раствора в условиях фазового расслоения на основе разработанной компьютерной модели, пригодной для количественного описания кинетических характеристик в случае роста морфологически сложных структур. Научная новизна:
Впервые рассмотрен процесс потери устойчивости при росте кристалла в рамках нелокальной неравновесной термодинамики. Получено выражение для производства энтропии, с помощью него исследован вопрос о сосуществовании морфологических фаз и найдено изменение производства энтропии при морфологическом фазовом переходе.
Для описания дендритного роста кристаллов из раствора построена компьютерная модель (т-модель), сочетающая в себе как достоинства традиционного метода клеточных автоматов, так и возможность количественных оценок развития неустойчивого процесса во времени.
С помощью т-модели проанализированы потеря устойчивости и развитие дендритных форм при изменении кинетического коэффициента кристаллизации. Найдены осцилляционные зависимости скорости роста кристалла и производства энтропии от времени.
Экспериментально методом поляризационно- интерференционной микроскопии подтверждены полученные в рамках т-модели результаты о наличии квазипериодических осцилляции массы растущего дендрита со временем.
С помощью т-модели впервые проанализирован квазиустойчивый гранный рост, скелетный рост и рост дендрита в фазово-расслаивающейся
5 среде. Установлена возможность возникновения в такой системе неравновесных морфологических переходов.
Практическая ценность. Полученные результаты и построенная компьютерная модель могут быть использованы при разработке новых технологий получения монокристаллов, объемной и поверхностной кристаллизации органических и неорганических веществ из пересыщенного раствора. К перспективным направлениям использования результатов, представленных в работе, следует отнести применение в медицинской диагностике, когда форма кристалла, выросшего из биожидкости, позволяет судить о наличии той или иной патологии.
На защиту выносятся:
полученное выражение для производства энтропии при изотермо-изобарической кристаллизации из раствора;
расчеты производства энтропии при росте и потере устойчивости шара, бесконечного цилиндра и бесконечной плоскости из пересыщенного раствора;
предложенный принцип отбора режима течения процесса при неравновесном росте кристалла из раствора;
результаты моделирования и опытов по обнаружению квазипериодических осцилляции скорости роста первичной ветви и массы растущего дендрита, частота которых связана с частотой появления вторичных ветвей;
результаты расчета с использованием х-модели (морфологии, зависимости массы, скорости и производства энтропии от времени) при дендритном росте в фазово-расслаивающейся среде и, в частности, обнаружение серии возвратных неравновесных морфологических переходов.
Апробация работы. Результаты исследования были представлены и обсуждены на World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering.
( Nice, France, 1997), 1-й Всероссийской научно-практической конференции "Кристаллографические методы исследования в медицине" (Москва, 1997), Первом всероссийском научном молодежном симпозиуме. "Безопасность Биосферы" (Екатеринбург, 1997).
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список используемых источников. Объем работы —126 страниц, в том числе 32 рисунка, библиографический список состоит из 119 названий.