Научные направления Кузьменко А.П.
Исследование быстропротекающих процессов в реальном масштабе времени
На основе уникальной радиоизмерительной дискретной аппаратуры (с полосой пропускания до 109 Гц), импульсного источника сверхкоротких импульсов света (с длительностью до 25´10–12 сек) разработан метод исследования быстропротекающих процессов перемагничивания прозрачных ферромагнетиков с рекордным пространственно-временным разрешением, когда движущаяся со скоростью 20 км/с доменная граница регистрируется с субмикронной точностью, сопоставимой с ее размерами (100 нм). Исследования процессов самоорганизации в перестройке доменной структуры при перемагничивании, явления пиннинга (захвата) доменной границы, магнон-фононных квазичастичных взаимодействий, регистрация и измерения времени релаксации (~20 наносекунд) и амплитуды динамической деформации, сопровождающей движущуюся доменную границу (70 нанометров) являются основой для развития нового научного направления магнитной спектроскопии магнитоупорядоченных конденсированных сред с помощью динамической доменной границы, как естественного микрозонда. Эти результаты носят фундаментальный характер, существенно углубляют общефизические знания.
Обнаружение и исследование нового упруго-индуцированного перемагничивания было положено в основу разработок и создания магнитооптического модулятора и пространственно-временного транспаранта, отличающихся наивысшим из существующих аналогов быстродействием и высокоэффективным управлением (время переключения уменьшено до 70´10–15 сек при полях управления в несколько эрстед). Эти разработки защищены 2 Патентами РФ, награждены золотой медалью Международной выставки "Дни высоких технологий" (г. Санки-Петербург, 2005 г.) и серебряной медалью Всероссийского выставочного центра (г. Москва, 2005 г.).
Более подробно ознакомиться с работами в этой области исследований можно по публикациям, представленным на этом сайте на странице "Научная деятельность" и далее в статье "Публикации", часть из готорых может быть доступна на сайтах соответствующих журналов.
Наноматериаловедение и нанотехнологии
Разработана технология прецизионной газолазерной размерной обработки композиционных материалов; создан новый тип энергонасыщенных гетерогенных органических оптических детонаторов, инициируемых полупроводниковыми лазерными источниками на гетероструктурных переходах; на этой основе разработана прецизионная лазерная система для применения в горнодобывающей промышленности; в процессе лазерной абляции нанокластеров тугоплавкого диоксида циркония на монокристаллическом кремнии получена стабилизация кубического упорядочения; разработан метод лазерной агломерации ультрадисперсного и коллоидно-ионного золота, как безальтернативный способ извлечения благородных металлов из минеральных ассоциаций не извлекаемых существующими методами; предложен источник электрической энергии, работа которого основана на твердофазном растворении меди в наноструктурированном графите. По результатам этих исследований получены 8 Патентов РФ, разработки награждены 3 золотыми и серебряной медалями Международной выставки "Дни высоких технологий" (г. Санкт-Петербург, 2005, 2008, 2011), 2 серебряными и бронзовой медалями Всероссийского выставочного центра (г. Москва, 2005, 2008, 2011).
Более подробно ознакомиться с работами в этой области исследований можно по публикациям, представленным на этом сайте на странице «Научная деятельность» и далее «Публикации», часть из которых может быть доступна на сайтах соответствующих журналов.
Магноника
Развитие и применение методов исследований магнитоупорядоченных сред, основанных на резонансной и поверхностно-усиленной спектроскопии:
- резонансного рамановского рассеяния (RRS - Resonance Raman scattering), когда частота лазерного излучения подбирается в соответствии с электронными переходами молекулы или кристалла, которые отвечают возбужденным электронным состояниям;
- резонансного комбинационного рассеяния, когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии (CARS - Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy);
- поверхностно-усиленного рамановского рассеяния (SERS – surface enhanced Raman scaterring);
- зондового усиления рамановского рассеяния (TERS - tip enhanced Raman scattering), который полностью соответствует поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии, однако роль частицы, усиливающей сигнал, выполняет зонд сканирующего зондового микроскопа.
В частности, метод TERS позволил в 2011 году впервые получить гиперспектральное распределение комбинационного рассеяния света на линии 221–1 для магнитных ионов Fe3+ в известном и достаточно изученном окисном соединении со слабоферромагнитным упорядочением – ортоферрите иттрия (YFeO3), которое дало возможность проанализировать тонкую структуру доменной границы неелевского типа.
Показано, что на основе комбинационного (рамановского) рассеяния света может быть реализован способ экспресс анализа, заключающийся в получении данных о составе, химической структуре и количественном определении относительного объема полезных минеральных фаз в обогащаемых концентратах добывающих предприятийвремя экспозиции составляет от 10 сек до 5 мин, который может применяться непосредственно на всех стадиях обогатительного процесса.
Более подробно ознакомиться с работами в этой области исследований можно по публикациям, представленным на этом сайте на странице «Научная деятельность» и далее «Публикации», часть из которых может быть доступна на сайтах соответствующих журналов.
Явления самоорганизации
Ряд неравновесных систем, в которых реализуется схема рождения "порядка из хаоса", соответствуют области естествознания, получившей название – синергетика. Накопленные опытные данные требуют системати-ческого анализа в рамках, как равновесной термодинамики, так и в условиях их выхода из равновесного состояния в неустойчивое, которое сопровождается образованием новых структур называемых, как фрактальные, так и диссипативные структуры, выполняющих функции дополнительного канала рассеяния энергии для сохранения энергетического баланса. Момент этого структурирования является проявлением типичной неравновесности для испытываемой системы. Важным является анализ и описание качественных структурных пространственно-временных изменений в ней.
На системах органического происхождения (торф, акридон, нанокапсулированный поливиниловым спиртом цефотаксим) изучено формирование самоорганизующихся структур по схеме капля испарения в диффузионно-ограниченных условиях, что позволило установить параметры и режимы их возникновения, начать изучение гранулометрического распределения и фрактальных размерностей.
Получены и изучены образцы самоорганизующихся структур, возникающие в процессе электрофизической обработки конденсированных материалов (диоксида циркония в процессе лазерной абляции и поликристаллической меди в процессе электроискрового разряда), а также наночастиц карбида вольфрама в процессе электроэрозионного диспергирования. Предложено качественное физическое описание полученных наноструктурированных самоорганизованных объектов.
Установлены условия, при которых в процессе электроискрового легирования сталей различного назначения электрод-инструментом с добавками нанопорошка оксида алюминия, наносимые защитные и упрочняющие покрытия, приобретают наномасштабную упорядоченную структуру, что вызывает существенное повышение целого комплекса их свойств.
Методами растровой электронной и атомно-силовой микроскопии обнаружены и исследованы процессы самоорганизации, возникающие в процессе лазерного переплава природных и техногенных образований, определены соотношения коэффициентов поверхностного натяжения составляющих элементов, включая благородные металлы, при которых на поверхностях переплава формируются фрактальные и/или тонкопленочные структуры, обладающие развитой самоорганизованной структурой.
Более подробно ознакомиться с работами в этой области исследований можно по публикациям, представленным на этом сайте на странице «Научная деятельность» и далее «Публикации», часть из которых может быть доступна на сайтах соответствующих журналов.
Рациональное природопользование
В рамках этого направления получены существенные, практически значимые результаты по извлечению наноразмерных частиц благородных металлов из минерального и техногенного сырья лазерными методами. В результате проведенных исследований была разработана и опытно подтверждена нетрадиционная технология извлечения ультрадисперсного и коллоидно-ионного золота, а также платины, серебра, редкоземельных металлов из минерального сырья и техногенных продуктов, не извлекаемых существующими методами.
Традиционно для разделения золота применяются гравитационный, электромагнитный, электростатический методы, позволяющие извлекать из природных соединений только крупные или тонкодисперсные частицы в ограниченном долевом соотношении (30–60% золота с размерами более 80 мкм). Подавляющий объем природных включений золота, практически на всех разрабатываемых месторождениях, состоит из частиц со значительно меньшими размерами. Специального оборудования и технологии для извлечения нанодисперсных частиц золота не разработано. Сложность извлечения драгоценных металлов в природных и техногенных включениях связана как с кристаллографической особенностью изоморфных минералов, вторичной минерализацией этого вида минерального сырья, так и со способами раскрытия сростков и минералов. Широко применяются при обогащении химические технологии: кучное выщелачивание и растворение в сильно агрессивных средах (методы цианирования или амальгамирования), которые оказывают очевидное негативное воздействие на окружающую среду.
Лазерное излучение обладает целым комплексом уникальных свойств, которые успешно могут быть применены для инициирования термохимических реакций в минеральных средах и вызывает аномально высокие скорости локальных изменений температуры (до 1010 К.с-1) и градиентов температуры (до 107 К.см-1), что сопровождается интенсивными тепловыми, концентрационными, капиллярными, зарядовыми, и иными взаимодействиями и явлениями. Уже выявленные механизмы превращений позволяют целенаправленно вести поиск решений практических задач, связанных с оптимизацией производственных технологических процессов добычи, переработки и извлечения из минерального и техногенного сырья золота и других благородных и редкоземельных металлов.
Научно-исследовательские работы по лазерной агломерации благородных металлов до настоящего времени не проводились в России и за рубежом и не были реализованы в виде технологического оборудования на предлагаемых подходах к решению проблемы обогащения и извлечения ценных компонентов из минеральных и техногенных продуктов.
Способ обогащения ультрадисперсного золота и других благородных металлов, основанный на явлении лазерной агломерации при лазерном переплаве минеральных и техногенных продуктов, в отличие от существующих методов, позволяет:
– извлекать ультрадисперсное и коллоидно-ионное золото и другие благородные металлы, с большей по сравнению с существующими способами эффективностью (вплоть до 95%);
– расширить географию золотодобычи за счет вовлечения в оборот ранее неразрабатываемые месторождения благородных металлов;
– снять экологическую нагрузку на окружающую среду в местах добычи благородных металлов.
Более подробно ознакомиться с работами в этой области исследований можно по публикациям, представленным на этом сайте на странице «Научная деятельность» и далее «Публикации», часть из которых может быть доступна на сайтах соответствующих журналов.