Чалий Кирило Олександрович. Рівноважні та нерівноважні властивості мезомасштабних рідинних систем в критичній області : Дис... д-ра фіз.-мат. наук: 01.04.14 / Київський національний ун-т ім. Тараса Шевченка. — К., 2006. — 298арк. : рис. — Бібліогр.: арк. 278-297.
Анотація до роботи:
Чалий К.О. Рівноважні та нерівноважні властивості мезомасштабних рідинних систем в критичній області. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.14 – теплофізика та молекулярна фізика. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2006.
В дисертації досліджено вплив просторової обмеженості на критичну поведінку рівноважних та нерівноважних властивостей мезомасштабних рідин. Сформульовано нові гіпотези статичного та динамічного скейлінгу для обмежених рідин, які дозволили вивчити залежність їх фізичних властивостей від температурної, польової змінних та геометричних факторів. Показано, що в експерименті мають спостерігатися специфічні ефекти, спричинені обмеженістю рідин у критичній області, зокрема, збільшення ширини центральної компоненти спектра критичної опалесценції світла при зменшенні розміру системи в закритичній області температур; досягнення мінімуму ширини центральної компоненти в спектрі критичної опалесценції світла при новій критичній температурі тощо. Представлено теоретичне описання теплоємності обмеженого рідкого 4Не поблизу -точки, яке адекватне існуючим експериментам (в тому числі проведеним в умовах мікрогравітації на космічному кораблі Space Shuttle) в широкому інтервалі розмірів циліндричних пор з діаметром від 30 нм до 8.17 мкм та тонких плівок завтовшки від 48 нм до 57 мкм. Методи нейтронної оптики використані для вивчення критичної поведінки нейтронного показника заломлення, зсуву критичної температури на кривій співіснування фаз, розмірних ефектів при проходженні та пружному розсіянні нейтронів та інших властивостей обмежених рідин у критичній області. Узагальнено поняття класу універсальності на випадок мезомасштабних систем різної природи. Це дозволило дослідити модель холінового рецептора; знайти залежність характеристик спектру молекулярного розсіяння світла (ширини центральної релеївської лінії, компонент Мандельштама-Бриллюена та співвідношення Ландау-Плачека) від температури та геометричного фактору обмеженої рідини, а також визначити залежність уширення квазіпружного піку розсіяння повільних нейтронів та коефіцієнту дифузії у водних розчинах біологічних молекул від розміру обмеженої системи, що може бути використано для створення нового методу діагностики процесу появи новоутворень.
В дисертації приведено теоретичне узагальнення та розв’язання проблеми впливу просторової обмеженості на критичну поведінку рівноважних та нерівноважних властивостей мезомасштабних рідинних систем. Основні результати та висновки можна сформулювати у вигляді наступних тверджень:
1. Запропоновано узагальнену гіпотезу статичного скейлінгу для обмежених бінарних сумішей з використанням ізоморфних змінних в критичних областях пароутворення та розшарування; вивчені особливості критичної поведінки рівноважних властивостей обмежених рідин в залежності від температурної та польової змінних; досліджені вільна енергія флуктуацій та кореляційні властивості рідин з обмеженою геометрією в критичній області; досліджені розмірні залежності властивостей обмежених рідинних систем; доведено існування трьох типів сприйнятливості системи, які визначають динамічне розсіяння світла в обмеженому бінарному розчині в околі критичного стану пароутворення.
2. Запропоновано гіпотезу динамічного скейлінгу для мезомасштабних одно- і двокомпонентних рідин, що дозволяє дослідити особливості спектру критичної опалесценції світла, зокрема, спектральної ширини центральної лінії розсіяння. Показано, що в експерименті повинно спостерігатися збільшення ширини цієї лінії в просторово обмеженій системі при зменшенні характерного розміру системи; на відміну від поведінки рідин в об’ємній фазі мінімальне значення ширини центральної компоненти для рідин у малих об’ємах досягається при новій критичній температурі обмеженої системи, яка нижча за критичну температуру об’ємної фази. Досліджені особливості критичної поведінки нерівноважних властивостей (коефіцієнтів дифузії, теплопровідності, температуропровідності, термодифузійного відношення) для одно- і двокомпонентних обмежених рідинних систем.
3. Вивчено вплив просторової обмеженості та гравітації на ізохорну теплоємність однокомпонентної рідини поблизу критичної точки, що було використано для порівняльного аналізу впливу цих двох ефектів на температуру -переходу в рідкому 4Не. Проведено аналітичне дослідження теплоємності 4Не поблизу -точки в циліндричних та щілиноподібних мезопорах. Доведено, що запропонований теоретичний підхід дає результати, які задовільно описують експериментальні дані щодо теплоємності рідкого 4He для широкого інтервалу розмірів мезопор діаметром від 30 нм до 8.17 мкм в циліндричній геометрії та для тонких плівок товщиною від 48 нм до 57 мкм, в тому числі експерименту, проведеного в умовах мікрогравітації на навколоземній орбіті.
4. Методи нейтронної оптики застосовані для вивчення критичних властивостей обмежених рідин, а саме: проведено аналітичне обчислення нейтронного показника заломлення, яке ураховує гравітаційний ефект і вплив обмежуючих поверхонь; отримано нові результати щодо зсуву критичної температури на кривій співіснування фаз, які мають експериментальне підтвердження; визначено положення точок перегину у висотній залежності нейтронного показника заломлення; доведено, що нейтронний показник заломлення в критичній області приймає максимальне (мінімальне) значення в центрі об’єму рідини з обмеженою геометрією при від’ємній (додатній) когерентній довжині розсіяння; проведено аналітичне дослідження рефракції нейтронного пучка та вказані принципові відмінності в рефракції нейтронів для рідин у малих та великих об’ємах; визначена форма еліпсоїда нейтронних показників заломлення в обмежених рідинах в критичній області; встановлений ефект періодичної поведінки коефіцієнтів пропускання і відбивання в залежності від нейтронного аналога оптичної довжини шляху пучка в обмеженій рідині; для щілиноподібної та циліндричної пор знайдені та проаналізовані залежності перерізу однократного когерентного розсіяння нейтронів від температурної та польової змінних, а також від геометричних факторів; вивчені нові екстремальні властивості та розмірні ефекти критичної опалесценції нейтронів, які є прямими проявами гіпотези скейлінгу для просторово обмежених рідинних систем.
5. Проведено узагальнення поняття класів універсальності на випадок мезомасштабних систем різної природи; сформульовані ті необхідні ознаки, при одночасному виконанні яких критична поведінка просторово обмежених систем різної природи повинна бути ізоморфною. На підставі ідей ізоморфізму і класів універсальності досліджено вплив фактору просторової обмеженості на властивості медико-біологічних систем, що може знайти своє використання в практичній медицині. Зокрема, вивчена модель холінового рецептора, яка відіграє важливу роль для розуміння процесів синаптичної передачі інформації (міжклітинної взаємодії); досліджені особливості коефіцієнта зсувної в’язкості для рідин біологічної природи з обмеженою геометрією; встановлено принципові зміни в спектрі молекулярного розсіяння світла, а саме: ширини компонент Мандельштама-Бриллюена, частотного зсуву мандельштам-бриллюенівських компонент по відношенню до центральної лінії, співвідношення Ландау-Плачека для обмежених рідинних систем.
6. З метою виявлення впливу протипухлинних препаратів на динамічний стан молекул води вивчені температурна і розмірна залежності ширини квазіпружнього піку розсіяння повільних нейтронів у водних суспензіях плазматичних мембрани клітин – мезоструктурах з характерною товщиною до 10 нм. Отримано аналітичні формули, з яких випливає збільшення ширини квазіпружнього піку розсіяння нейтронів із зростанням товщини прошарку в докритичній області температур системи. Для підтвердження одержаних результатів було досліджено поведінку коефіцієнта самодифузії однокомпонентної рідини в циліндричних порах, отримані теоретичні результати демонструють кількісну узгодженість (з середнім відхиленням 4.8%) з існуючими експериментальними даними для молекул води. Запропоновано метод ранньої діагностики патологічних новоутворень на підставі аналізу уширення квазіупружнього піку розсіяння повільних нейтронів у мембранних структурах проліферованих клітин, який проходить практичну апробацію в Інституті експериментальної патології, онкології та радіології ім. Р.Є. Кавецького НАН України.
Публікації автора:
Монографії:
Чалий О.В., Цехмістер Я.В., Чалий К.О. Процеси впорядкування та самоорганізації у флуктуаційних моделях відкритих систем. – К.: Віпол, 2001. – 224 с.
Чалий О.В., Лукомський В.П., Ганжа І.С., Цехмістер Я.В., Чалий К.О. Нелінійні процеси в фізиці: коливання, хвилі, самоорганізація. – К.: Четверта хвиля, 2005. – 359 с.
Булавін Л.А., Чалий К.О. Нейтронна оптика мезомасштабних рідин. – К.: Наукова думка, 2006. – 211 с.
Статті:
Chalyi K.A., Hamano K. Declination of Temperature, Density and Viscosity of Liquid due to the Spatial Insufficiency // Rep. Prog. Polym. Phys. Jap., -1998. -Vol. 41. - P. 103-106.
Chalyi K.A., Hamano K. Features of Light Scattering in Spatially Limited Liquid Mediums // Rep. Prog. Polym. Phys. Jap., -1999. -Vol. 42. - P. 37-40.
Chalyi A.V., Chalyi K.A., Chernenko L.M., Vasil’ev A.N. Critical behaviour of confined systems // Cond. Matt. Phys. -2000. -Vol. 3, № 2(22), - P. 335-358.
Chalyi A.V., Chalyi K.A., Chernenko L.M., Vasil’ev A.N. Critical Phenomena in Finite-Size Binary Liquid Mixtures // J. Mol. Liq.-2001. -Vol. 93, - P. 127-130.
Chalyi K.A., Hamano K., Chalyi A.V. Correlating properties of a simple liquid at criticality in a reduced geometry // J. Mol. Liq. -2001. -Vol. 92, - P. 153-164.
Chalyy K.A. Model of Choline Receptor: Properties of Liquid System with Geometry of the Long Bar // Phys. of Alive. -2003. -Vol. 11, № 1. - P. 51-57.
Chalyi A.V., Chalyy K.A., Chernenko L.M., Vasil’ev A.N. Critical Phenomena in Confined Binary Liquid Mixtures // NATO Science Series. Mathematics, Physics and Chemistry. -2004. -Vol. 157. - P. 143-152.
Bulavin L.A., Chekhun V.F., Chalyy K.A., Bila R.V., Kovalchuk V.I., Krotenko V.T., Nynyk S.D., Slisenko V.І., Tryndyak V.P., Vasylkevich O.A. Selfdiffusion of Water Molecules and Mean Lifetime of Hydrogen Bonds in the Suspensions of Plasmatic Membranes // Phys. of Alive. -2004. -Vol. 12, № 1. - P. 94-100.
Чалий К.О. Гіпотеза масштабного перетворення для просторово обмежених двокомпонентних рідких сумішей // Укр. фіз. журн. -2004. -Т. 49, № 7, - P. 648-654.
Булавін Л.А., Вишневський І.М., Чехун В.Ф., Біла Р.В., Триндяк В.П., Чалий К.О. Дослідження самодифузії молекул води в водних суспензіях плазматичних мембран методом квазіпружнього розсіяння повільних нейтронів // Доповіді НАН України. -2004. № 7, - С. 176-181.
Чалий К.О. Сприйнятливість просторово обмежених бінарних рідких розчинів у критичній області // Укр. фіз. журн. -2004. -Т. 49, № 8, - С. 773-777.
Chalyy K.A. Heat capacity of cylindrically confined helium: theoretical predictions versus experimental data // Low Temp. Phys. - 2004. –Vol. 30, № 9, - P. 686-690; Физ. низк. темп. - 2004. –Vol. 30, № 9, - P. 913-919.
Чалий К.О. Вплив гравітації на теплоємність рідин у критичній області // Укр. фіз. журн. -2004. -Т. 49, № 10, - С. 971-975.
Чалий К.О. Теплоємність та зсув критичної температури в просторово обмежених рідинах // Укр. фіз. журн. -2004. -Т. 49, № 11, - С. 1093-1097.
Чалий К.О., Булавін Л.А., Чалий О.В. Динамічний скейлінг та ширина центральної компоненти спектра критичної опалесценції в рідинах з обмеженою геометрією // Журн. фіз. досл. -2005. -Т. 9, №1. - С. 66-70.
Чалий К.О. Класи універсальності для просторово обмежених систем різної природи в контексті розвитку нанотехнологій та наномедицини // Вісник Київського університету, Серія: фіз.-мат. науки, -2005. №2. - С. 378-385.
Chalyy K.A. Scaling predictions for thermodynamical properties of finite-size liquid systems // J. Mol. Liq. -2005. -Vol. 120, № 1-3. - P.119-121.
Чалий К.О., Булавін Л.А., Чалий О.В. Проходження та пружне розсіяння нейтронів в обмежених рідинах в критичній області // Вісник Київського університету, Серія: фіз.-мат. науки. -2005, № 4, - С. 420-429.
Чалий К.О. Температуропровідність, дифузія і термодифузія просторово обмеженої бінарної рідкої суміші в критичній області // Укр. фіз. журн. -2005. -Т. 50, № 10. - С. 1134-1138.
Булавін Л.А., Чехун В.Ф., Чалий К.О. Квазіпружне розсіяння нейтронів при фазових переходах в біологічних мезоструктурах в контексті діагностики новоутворень // Фізика живого. -2005. -Т. 13, № 2, - P. 54-60.
Чалий К.О. Нейтронний показник заломлення обмежених рідин в критичній області // Укр. фіз. журн. -2005. -Т. 50, № 12, - С. 1242-1248.
Булавін Л.А., Чалий К.О. Вплив просторової обмеженості на самодифузію молекул води в пористому склі // Вісник Київського університету, Серія: фіз.-мат. науки. -2006, № 1, - С. 328-337.
Chalyy K.A. Finite-size effects in light critical opalescence spectrum: theory and medical applications // Phys. of Alive. -2006. - Vol. 14, № 1, - С. 21-28.
Матеріали конференцій
Chalyi A.V., Chalyi K.A., Chernenko L.M., Bulavin L.A. Critical Neutron and Light Opalescence in Liquids. Abstracts of the 13th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (USA), June 1997, - P. 112.
Chalyi K.A., Hamano K. Declination of Viscosity in Finite-Size Near-Critical Liquid Systems. Abstracts of the International Conference "Physics of Biological Systems", Kiev (Ukraine), September 1998, - P. 31.
Chalyi K.A., Hamano K. Critical Behavior of Viscosity in Spatially Limited Liquid. Abstracts of the International Conference "MECO24. Middle European Cooperation in Statistical Physics", Lutherstadt Wittenberg (Germany), March 1999, - P. 88.
Chalyi A.V., Chalyi K.A., Chernenko L.M., Rybina L.V., Vasil’ev A.N. Phase Transitions in Systems with Reduced Geometry and its Biomedical Applications. Abstracts of the Symposium “Theoretical Physics and Biology”, Kiev (Ukraine), November 1999, - P. 4.
Chernenko L.M., Chalyi A.V., Chalyy K.A. Critical Properties of Thin Liquid Layers. Abstracts of the 14th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (USA), June 2000, CRI05CHE, - P. 56.
Chalyy K., Hamano K., Chalyi A. Correlative, Static and Dynamic Properties of Near-Critical Liquids in Small Volumes of Rectangular and Round Section. Abstracts of the 14th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (USA), June 2000, CRI01CH2, - P. 16.
Chalyi A.V., Chalyy K.A., Chernenko L.M., Vasil’ev A.N. Critical Behavior of Confined Liquids. Abstracts of the International Conference “Modern Problems of Soft Matter Theory”, Lviv (Ukraine), August 2000, - Р.12.
Chalyi K.A. Verification of the Confined Helium Heat Capacity Predictions with Currently Available Experimental Data. Abstracts of the International Conference "Physics Of Liquid Matter: Modern Problems (PLMMP)", Kyiv (Ukraine), September 2001, - P. 26.
Chalyi A.V., Chalyy K.A., Chernenko L.M., Vasil’ev A.N. Critical Phenomena in Confined Liquids. Abstracts of the International Conference “Modern Problems of Theoretical Physics”, Kyiv (Ukraine), Deсember 2002, - P. 28.
Chalyi A.V., Chalyy K.A., Chernenko L.M., Vasil’ev A.N. Critical Phenomena in Confined Binary Liquid Mixtures. NATO ARW "Nonlinear Dielectric Phenomena in Complex Liquids", Ustron-Jaszowiec (Poland), May 2003, -P. 68.
Chalyi A.V., Chalyy K.A., Chernenko L.M., Vasil’ev A.N. Isomorphism of Critical Phenomena in Liquid Mixtures and Cell-to-Cell Communication in Synapses. Abstracts of the Fifteenth Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, Colorado (U.S.A.), June 2003, - P. 178.
Chalyy K.A. Susceptibility of Finite-Size Individual Liquids and Binary Liquid Mixtures in the Critical Region. Abstracts of the International Conference “Physics of Liquid Matter: Modern Problems”, Kyiv (Ukraine), September 2003, - P. 92.
Chalyy K.A. Cylindrically Confined Helium Heat Capacity: Theory Verification. Abstracts of the 20th General Conference of the Condensed Matter Division of the European Physical Society, Prague (Czech Republic), July 2004, S3Z217, - P. 206.
Chalyy K.A., Bulavin L.A., Chalyi A.V. Peculiarities of Critical Opalescence Spectrum in Liquids in Reduced Geometry. Abstracts of the 20th General Conference of the Condensed Matter Division of the European Physical Society, Prague (Czech Republic), July 2004, S3Z211, - P. 204.
Bulavin L.A., Chalyy K.A. Selfdiffusion of Water Molecules in the Suspensions of Plasmatic Membranes: Quasi-Elastic Slow Neutron Scattering Studies. Abstracts of the 7th International Conference on Quasi-Elastic Neutron Scattering - QENS2004, Arcachon (France), September 2004, - P. PSI.2.
Chalyy K.A., Bulavin L.A., Chalyi A.V. Light Critical Opalescence Spectrum in Binary Liquid Mixtures at Restricted Geometry. Abstracts of the 3rd International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems - PLMMP-2005, Kyiv (Ukraine), May 2005, 4-9.O., - P. 119.
Chalyi A.V., Bulavin L.A., Chalyy K.A., Chernenko L.M. Neutron Refraction in Confined Liquids near Criticality. Abstracts of the 3rd International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems - PLMMP-2005, Kyiv (Ukraine), May 2005, 3-32.P., - P. 110.
Bulavin L.A., Chekhun V.F., Chalyi A.V., Chalyy K.A. QENS Study of Selfdiffusion of Water Molecules in Bio-Objects. Proceedings of the 1st International Conference on Diffusion in Solids and Liquids - DSL2005, Aveiro (Portugal), July 2005, –Vol. 1. - P. 71-74.
Chalyy K.A., Bulavin L.A., Chalyi A.V. Thermal Properties of Near-Critical Liquid Helium: Uniform Approach to the Different Confinements. Abstracts Book of the 6-th Liquid Matter Conference – LMC2005, Utrecht (The Netherlands), July 2005, –Vol. 29H. P 8.6, - P. 216.
Chalyi A.V., Bulavin L.A., Chalyy K.A., Chernenko L.M., Tsekhmister Ya.V. Critical Dynamics of Liquid Mixtures in Reduced Geometry. 17th European Conference on Thermophysical Properties – ECTP2005, Bratislava (Slovakia), September 2005, PS II – 20, - P. 17.
Chalyi A.V., Chalyy K.A., Chernenko L.M., Vasil’ev A.N. Application of Finite-Size Scaling to Phase Transitions in Bio-Objects. Abstracts of the IOMP’s 14th International Conference of Medical Physics – ICMP2005, Nuremberg (Germany), September 2005, O-T 8.8, - P. 99.
Chalyi A.V., Chalyy K.A., Chernenko L.M., Vasil’ev A.N., Zaitseva E.V. Critical Properties of Confined Soft Matter as Emerging problem: Fundamentals and Biological Applications. NATO ARW „Soft Matter Under Exogenic Impacts: Fundamentals and Emerging Technologies”, Odessa (Ukraine), October 2005, - P. 7.
Chalyi A.V., Bulavin L.A., Chalyy K.A. Neutron Optics of Confined Liquids near the Critical Point. Abstracts of 21st EPS General Conference of the Condensed Matter Division, Dresden (Germany), March 2006, DY 40.5, - P. 23.
