Представлены краткие биографические сведения и обзор научной деятельности лауреата Нобелевской премии по физике за 2020 г. Роджера Пенроуза. Научные исследования этого британского ученого находятся в эпицентре современной космологии, решающей особо сложные задачи в области астрофизики и сложных физических систем.

Для качественного и количественного анализа cамораспространяющегося высокотемпературного синтеза в сочетании с экструзией (СВС-экструзия) разработаны тепловые и реодинамические модели, в которых используются данные о реальных условиях протекания технологического процесса. В данной работе для оценки влияния технологических и тепловых параметров на длину экструдированных стержней проведено математическое моделирование процесса СВС-экструзии материала на основе диборида титана исходного мольного состава Ti–2B–0,9Co. В расчетах модели использовались реальные температуры горения системы, полученные экспериментально при различных условиях (относительная плотность, марка порошка титана). На основе математических моделей тепловых режимов СВС-процессов исследованы температурные поля в материале образца, находящегося в цилиндрической пресс-форме, в теплоизоляторе, а также в экструдированном стержне, определены длины получаемых стержней в зависимости от различных технологических параметров процесса. Экспериментально методом СВС-экструзии получены стержни, подтверждающие правильность численных результатов прогноза на основе математического моделирования. Теоретические исследования процесса СВС-экструзии, основанного на воздействии высокотемпературного сдвигового деформирования на продукты синтеза, находящиеся в горячем состоянии, способствуют развитию и созданию новых передовых технологических методов СВС для получения композиционных и металлокерамических материалов и изделий.

Методом математического моделирования исследовано влияние скорости сдвига и распределения доли пустот в быстром гравитационном потоке зернистых материалов на эффекты сепарации по размеру и плотности. Моделирование проведено на базе уравнения динамики процесса, описывающего распределение неоднородных частиц в потоке под действием конвекции, квазидиффузии и сепарации. Сепарация рассматривается как результат сопряжения эффектов сегрегации и квазидиффузионной сепарации. Моделирование осуществляется при варьировании формой либо профиля скорости, либо профиля порозности при восполнении недостающей информации о структурно-кинематических параметрах гравитационного потока с использованием уравнения состояния зернистой среды. Уравнение состояния устанавливает взаимосвязь между гидростатическим давлением, объемной долей пустот и скоростью сдвига при быстром гравитационном сдвиге. Установлено, что эффект сдвиговой поточной сегрегации частиц по размеру интенсивно протекает при поддержании в объеме слоя высоких значений скорости сдвига (75…85 с–1), превышение которых сопровождается интенсификацией квазидиффузионных процессов. Повышению интенсивности квазидиффузионной сепарации (миграции) способствует формирование в гравитационном потоке параболического выпуклого профиля порозности при максимальном ее значении в центральной части потока.

Рассмотрены результаты исследований кинетики роста нитевидных нанокристаллов полупроводников. Показано, что в современных исследованиях недостаточно изучены физические механизмы, управляющие скоростью роста таких кристаллов, а сведения о кинетике их роста остаются неопределенными и противоречивыми. Проанализированы существующие представления о диффузионном характере убывающей зависимости скорости роста нитевидных нанокристаллов Si, Ge, GaAs, GaN, InAs и др. от их радиуса. Приведены новые полученные результаты для кинетики роста нитевидных нанокристаллов кремния. Показано, что увеличение скорости роста нанокристаллов с уменьшением их поперечных размеров связано с влиянием не диффузионного, а термодинамического фактора, обуславливающего снижение равновесной растворимости кристаллизуемого вещества в жидкофазных каплях металла-катализатора с увеличением дисперсности катализатора. При этом в качестве лимитирующей стадии выступает стадия кристаллизации на границе кристалл / жидкость под каплей жидкофазного металла-катализатора. Получено уравнение, описывающее зависимость длины нитевидного нанокристалла от радиуса в условиях влияния термодинамического фактора. Даны рекомендации по интенсификации процессов роста нитевидных нанокристаллов полупроводниковых материалов в экзотермическом процессе реакции кристаллизации.

Прозрачные органо-неорганические покрытия для защиты оптического стекла получены по золь-гель технологии на основе гидрированной эпоксидной смолы и тетрабутоксида титана. Для улучшения их физико- механических и противообрастающих свойств в золь-гель композиции в процессе их синтеза in situ введен детонационный наноалмаз (ДНА) при варьировании его концентрации. С использованием ИК-Фурье спектроскопии, термического анализа, совмещенного с масс-спектроскопией, и стандартных методов изучения лакокрасочных покрытий исследованы процессы формирования пленкообразующих золей и органо- неорганических покрытий, а также влияние ДНА на процессы структурообразования золей и физико- механические свойства покрытий. Противообрастающие свойства разработанных покрытий, нанесенных на увеличительные стекла, испытаны в натурных условиях, морской среде, на климатической станции Совместного Российско-Вьетнамского Тропического научно-исследовательского и технологического центра (Тропический Центр, г. Нячанг, СР Вьетнам).

Исследованы процессы тушения флуоресценции ализарина комплексона (C19H15NO8) в водных растворах в присутствии наночастиц полититаната калия (ПТК) и диоксида титана, а также добавок йодида калия (KI) и молекулярного йода (I2). Из полученной линейной зависимости Штерна–Фольмера для тушения флуоресценции ализарина комплексона (АК) при сорбции на частицах ПТК и TiO2 определены константы тушения флуоресценции (1230 и 1020 М–1, соответственно). Показано, что тушение флуоресценции АК в обоих случаях осуществляется по механизму переноса электрона с АК, на активные центры сорбента. При исследовании процессов тушения флуоресценции АК ионами тяжелого атома йода в водных растворах системы KI–I2 получена нелинейная зависимость Штерна–Фольмера. Предположено, что тушение осуществляется по статическому механизму с образованием комплекса АК – I3 – в основном невозбужденном состоянии. Константа тушения флуоресценции АК ионами йода в водном растворе (1170 М–1) определена с помощью модифицированного уравнения Штерна–Фольмера для статического тушения. На основании полученных результатов показано, что в йод-проводящих водных растворах, используемых в фотоэлектрохимических ячейках Гретцеля, процесс тушения флуоресценции АК, адсорбированного на поверхности полупроводникового носителя, ионами йода конкурирует с процессом переноса фотогенерируемого электрона в зону проводимости полупроводника. Сделан вывод о необходимости учета данного эффекта при выборе типа полупроводника и сенсибилизирующего красителя для формирования фотоэлектрохимических элементов Гретцеля.

Сорбционные материалы на основе оксида графена (ОГ), модифицированного хитозаном (ОГ/Х) и производным лигнина – лигносульфонатом (ОГ/ЛС), разработаны для удаления тяжелых металлов из водных сред. Технологии получения нанокомпозитов включали стадии формирования гидрогеля и его последующей лиофилизации в целях сохранения структуры пористого пространства. Синтезированные наноструктурированные сорбенты охарактеризованы с использованием просвечивающей электронной микроскопией с элементным анализом, метода термогравиметрического анализа и путем измерения площади поверхности (БET). Термогравиметрический анализ показал наличие двух температурных интервалов потери массы нанокомпозитов: 3 – 5 % при температуре до 250…270 °С и 40 – 50% – до 750…770 °С. Измеренная площадь поверхности по БЭТ для ОГ/ЛС и ОГ/Х составила 85,34 и 73,256 м2/г соответственно. Адсорбционные исследования методом ограниченного объема проводили в буферных модельных системах для Cu2+ и Pb2+ при значениях рН = 6 с использованием атомно-абсорбционной спектрометрии. По результатам проведенных экспериментальных исследований установлены эффективные составы нанокомпозитов с наилучшим соотношением исходных компонентов. Для нанокомпозита ОГ/ЛС наиболее результативным является соотношение 2 : 1, для ОГ/Х – 100 : 1. Величина адсорбционной емкости для указанных соотношений составила по свинцу: для ОГ/ЛС – 178,1 мг/г, для ОГ/Х – 197,38 мг/г; по меди: для ОГ/ЛС – 162,39 мг/г, для ОГ/Х – 186,17 мг/г.