Основные исследования и их результаты

1) Динамика разреженного газа, течение газа и теплообмен в микро и наноструктурах
Современное приборостроение требует новых разработок в области вакуумной техники, таких как новые типы вакууметров, эффективные газоразделительные устройства и передовые системы откачки. Также востребованы разработки, обеспечивающие эффективный отвод тепла от поверхностей, подверженных нагреву лазером и движущихся с высокой скоростью в вакуумных камерах.  В таких задачах возникают сложные задачи, связанные с моделированием и анализом сложных течений разреженных газов. Эти задачи включают широкий диапазон числа Кнудсена, отношения длины свободного пробега молекул и характерного размера задачи, необходимость учета многоатомных газов, изменения границ расчетной области и ее ускоренного движения, а также больших перепадов температуры.
Для решения поставленных задач в лаборатории были разработаны собственные реализации и модификации методов прямого статистического моделирования Монте-Карло (DSMC), событийного молекулярно-динамического моделирования (EDMD) и многомасштабные гибридные методы, сочетающие решение уравнения Больцмана с решением уравнений классической газовой динамики. Исследуются течения смесей газов при конечных числах Кнудсена в областях с неизотермическими и подвижными границами, при наличии больших перепадов давления и ударных волн с учетом возбуждения и релаксации внутренних степеней свободы молекул.  
Среди решенных задач: теплопередача между движущимися относительно друг друга с высокой скоростью профилированными поверхностями, течение газа в микросоплах, высокоскоростное движение тела в трубе с разреженным газом, исследование радиометрического эффекта, течение в турбомолекулярном насосе, разделение газов в микроструктурах с подвижными и неизотермическими границами, моделирование работы микроэлектромеханических устройств с осциллирующими элементами. В настоящее время продолжаются работы над актуальными технологическими задачами в газоразделительной вакуумной технике.

2) Теплозащитные покрытия летательных аппаратов. Моделирование гетерогенных и гомогенных процессов взаимодействия атомов и молекул на поверхности твердых тел.
При входе тел в атмосферу Земли перед телами формируется сильная ударная волна, за которой имеет место существенная диссоциация воздуха. Часть атомов кислорода и азота рекомбинирует непосредственно за ударной волной по мере падения температуры, а другая часть атомов достигает поверхности и рекомбинирует на ней, что приводит к увеличению аэродинамического нагрева. Для использования в системах теплозащиты космических аппаратов представляют интерес материалы, которые имеют малые величины коэффициентов рекомбинации. Такими материалами, например, являются стекло, кремний, карбид кремния. Высоко каталитическими материалами обычно считаются металлы и окислы металлов. Применение низко каталитических материалов является эффективным способом теплозащиты многоразовых аппаратов. Однако даже слабая каталитичность таких материалов может приводить к заметному возрастанию теплового потока к телу по сравнению с тепловым потоком к некаталитической поверхности. Это предъявляет высокие требования к моделям, описывающим каталитические свойства теплозащитных покрытий.
Большой объем экспериментальных исследований по высокотемпературному катализу в диссоциированном воздухе был выполнен в связи с разработкой системы теплозащиты воздушно-космических самолетов «Буран» и «Спейс Шаттл». В теоретических моделях гетерогенный катализ первоначально описывался реакциями первого порядка с константами скоростей, определяемыми из эксперимента. Позднее были предложены более точные феноменологические модели, основанные на теориях идеального и реального адсорбированных слоев Ленгмюра. Эти модели позволили при соответствующем подборе параметров удовлетворительно описать аэродинамический нагрев наветренной поверхности многоразовых космических аппаратов вдоль всей траектории спуска в атмосфере Земли. Сложность определения каталитических свойств поверхности обусловлена отсутствием прямых методов измерений коэффициентов рекомбинации и аккомодации энергии набегающего потока газа на поверхность.
В лаборатории на основе квантово-механического и молекулярно-динамического подходов ведутся работы по разработке постадийных моделей гетерогенного катализа диссоциированных газов на наноструктурированных поверхностях различных кристаллических материалов (Al2O3, SiO2, SiC, Cu2O). Основную роль в процессах взаимодействия с поверхностью играют процессы адсорбции. Поскольку образование химических связей между адсорбатом и поверхностью обусловлено короткодействующими силами, то для описания локальных взаимодействий при хемосорбции весьма эффективными оказываются кластерные подходы. Кластер представляет собой сравнительно небольшой фрагмент решётки твёрдого тела, составленный из конечного числа атомов поверхностного слоя и атомов приповерхностных слоёв. В таком подходе открывается возможность прямого использования в расчётах методов квантовой механики, имеющих дело с ограниченными по размеру молекулярными системами.
3) Многомасштабное моделирование процессов высокоскоростного деформирования твердых тел
Процессы высокоскоростной деформации и разрушения твердых тел, главным образом металлов и сплавов, являются объектами активных экспериментальных и теоретических исследований в мире. Помимо фундаментальной важности таких исследований, они необходимы для построения методик решения задач пробивания и соударения твердых тел, а также для прогнозирования микроструктуры материалов при высокоскоростной обработке. Скорости деформации при обработке материалов импульсными лазерами последних поколений могут достигать 10^9 с^-1. В диапазоне таких высоких скоростях деформирования, как показывают последние экспериментальные данные, влияние температуры и упрочняющих факторов на реакцию материала на нагрузку может отличаться от обычной даже по знаку.
В лаборатории проводятся исследования микроструктурных процессов пластической деформации и разрушения в условиях динамического нагружения с целью разработки новых моделей материалов. Развиваются подходы к многомасштабному моделированию быстропротекающих процессов деформирования с использованием методов молекулярной динамики, дискретных дислокаций и мезоскопических моделей. Описаны процессы зарождения дислокаций за фронтом ударной волны вблизи медных примесей в алюминии. Изучено влияние примесей никеля на движение дислокаций в медных сплавах. Найден режим, при котором, примеси никеля ускоряют движение дислокаций, которые движутся со скоростями, близкими к скорости звука. Проведено моделирование динамики дислокаций за фронтом ударной в кристаллах меди. Установлено, что возрастание динамического предела упругости с температурой может происходить даже в идеальных кристаллах меди. Показано, что наличие дислокаций тормозят развитие откола в металлических кристаллах.
4) Механика наноматериалов

Наноматериалы представляют собой материалы с характерными размерами в диапазоне от нескольких до сотен нанометров. Нанотрубки, наностержни, листы графена, нанопористые материалы и материалы с наноразмерными включениями – типичные представители таких материалов. Изучение наноматериалов методами механики сплошных сред затруднено из-за того, что представительный объем не может содержать достаточно много атомов, и нарушается гипотеза сплошности. В отличие от обычных материалов наноматериалы обладают значительно более высоким отношением площади поверхности к объему, что придает особую важность поверхностным эффектам.
В лаборатории наномеханики проводятся исследования физико-химических процессов в наноматериалах и наноструктурах с использованием методов атомистического моделирования. Решены следующие задачи:
- Адсорбция водорода на массиве углеродных нанотрубок. Рассчитаны зависимости плотности водорода в массиве углеродных нанотрубок от температуры, давления и геометрии массива. Получено, что даже при оптимальном расстоянии между трубками в массиве применение углеродных нанотрубок для хранения водорода при комнатной температуре нецелесообразно, а при низких температурах (Т=80К) их использование позволяет существенно повысить эффективность хранения водорода.
- Описаны механические свойства хиральных металлических нанотрубок методом молекулярной динамики. Показано, что при определенных углах закрутки такие трубки могут одновременно проявлять ауксетические свойства и эффект Пойнтинга.
- Исследованы физико-химические свойства цеолитов – нанопористых алюмосиликатов, состоящие из трехмерных сетей полостей и каналов, которые имеют около сотни различных структурных форм. Цеолиты обладают большой поверхностью и способны адсорбировать различные газы и жидкости. Найдены вычислительные методы расчета упругих свойств различных форм цеолитов при адсорбции углекислого газа и воды, позволяющий хорошо описывать эксперименты. Показано, что в некоторых условиях поглощение углекислого газа в цеолитах может сопровождаться сильным снижением упругих свойств.