Многомасштабное моделирование в физике мягкой материи
Лаборатория
  • Николай Кондратюк
    Кандидат физико-математических наук
    Заведующий
  • Никита Орехов
    Кандидат физико-математических наук
    Заместитель заведующего
  • Екатерина Григорьева
    Менеджер
  • Александр Ланкин
    Кандидат физико-математических наук
    Старший научный сотрудник
  • Иван Бакулин
    Аспирант МФТИ
    Младший научный сотрудник
  • Михаил Логунов
    Аспирант МФТИ
    Младший научный сотрудник
  • Денис Потапов
    Аспирант МФТИ
    Младший научный сотрудник
  • Владимир Дещеня
    Студент МФТИ
  • Вячеслав Лукьянчук
    Студент МФТИ
  • Олег Кашурин
    Студент МФТИ
  • Георгий Вандышев
    Студент МФТИ
Лаборатория многомасштабного моделирования в физике мягкой материи создана в Физтех-школе физики и исследований им. Ландау (ЛФИ) МФТИ в 2022 году в рамках интеграционного проекта «Создание молодежных лабораторий по приоритетным направлениям МФТИ».
Иллюстрация исследований водных растворов сахарозы методами суперкомпьютерного моделирования
Лаборатория занимается фундаментальными исследованиями свойств жидкостей и мягкой материи методами суперкомпьютерного моделирования, а также внедрением полученных результатов в промышленность. Исследования включают в себя апробацию существующих моделей межатомного взаимодействия, описание процессов захвата щелочных ионов гетероциклическими соединениями в различных растворах, а также рассмотрение вопросов сорбции ионов и молекул на поверхностях.
Актуальные и перспективные тематики
Направления исследований
Расчеты свойств жидкостей
Комплексы ионов с гетероциклическими соединениями
Растворимость органических молекул
Перенос ионов через границу сред
Сорбция органических молекул и ионов
Мы занимаемся атомистическим моделированием промышленных жидкостей: растворителей, топлив, масел и смазочных материалов. Нас интересует предсказательная сила атомистического моделирования. Подобные расчеты необходимы для проведения мультимасштабного моделирования физических процессов: течения жидкости в механизмах (смазочный материал), в межпоровом пространстве (добыча топлива), сквозь мембраны (добыча лития).

Мы принимаем участие в Конкурсах по расчету свойств промышленных жидкостей, проводящийся лидерами индустрии США (Army Research Lab, Dow Chemical, NIST и проч.). В 2018 году заняли второе место на конкурсе, обойдя в том числе коллективы из NIST, Imperial College London, Shanghai Jiao Tong Univ. В 2019 году — первое место среди участников из Army Research Lab, John Hopkins Univ., Caltech и Shanghai Jiao Tong Univ. Конкурсанты боролись в точности предсказания свойств смазочной жидкости при экстремальных давлениях.
Избранные публикации:
Deshchenya, Kondratyuk, Lankin, Norman. J. Mol. Liq. 2022.
Nikitiuk, Salikova, Kondratyuk, Pisarev J. Mol. Liq. 2022.
Кондратюк, Писарев. УФН, 2022. 65.
Kondratyuk, Pisarev. FPE. 2021. 544−545, 113 100
Kondratyuk et al. J. Chem. Phys. 2020, 152 (19), 191 104
Kondratyuk et al. J. Chem. Phys. 2020, 153, 154 502
Kondratyuk, Pisarev. FPE. 2019. 498, 151
Мы освоили методику расчета энергий образования комплексов краун-эфиров с ионами щелочных металлов в воде. Краун-эфиры находят применение в органическом синтезе, селективном извлечении редкоземельных металлов и разделении изотопов. Для этих веществ также доступны экспериментальные и расчетные данные. Актуальным вопросом остается поиск других соединений, а также исследование образования комплексов в неполярных растворителях.
Моделирование процесса захвата иона краун-эфиром в воде
Актуальность исследования обусловлена тем, что на территории России имеются значительные запасы литий содержащих подземных минеральных вод, связанных прежде всего с месторождениями Восточной Сибири и Северного Кавказа. Важным вопросом являются поиск селективных к литию органических соединений.

Bakulin, Kondratyuk, Lankin, Norman. J. Phys.: Conf. Ser. 2021. 1787 (1), 12 010
Во время разработки новых веществ необходимо многократно проводить эксперименты по растворимости [Hefter, G.T.; Tomkins, R.P.T (Editors) (2003). The Experimental Determination of Solubilities. Wiley-Blackwell]. Наличие способов прогнозирования растворимости по структурной формуле соединения из атомистического моделирования позволит сильно упростить поиск перспективных компонент селиктивных жидких мембран.

Современные международные конкурсы SAMPL направлены на решение проблем растворимости органических молекул. Мы планируем принять участие в последующих конкурсах.
Слева: вероятностное распределение молекул воды вокруг молекулы 1,4-диоксана. Справа: расчет энтальпий растворения 1,4-диоксана в воде в разных моделях межатомного взаимодействия.
Bakulin, Kondratyuk, Lankin, Norman. J. Chem. Phys. 2021. 155 (15), 154 501

Растворимость органических молекул и их коэффициент разделения важны для моделирования взаимодействия молекул с липидными клеточными мембранами. В частности, диффузия через мембрану — это основной способ проникновения лекарственных средств в клетки организма [S. Fan et al. // J. Comput. Aided. Mol. Des., 34, 543 (2020)]. Результаты также могут найти применение в физхимии мицеллярных растворов и в коллоидной химии.
Перспективной технологией для извлечения лития из бедных рассолов является применение «жидких мембран» (промежуточного слоя органической жидкости) [Hoshino Т. // ECS Trans., 58, 173 (2014)], [Hoshino T. and Terai T.// Fusion Eng. Des., 86, 2168 (2011)] селективно-проницаемых для лития и непроницаемых для других ионов в процессах обратного осмоса [Li et al.// Sep. Purif. Technol. 186. 233 (2017)] или электродиализа [Ji et al. // Sep. Purif. Technol., 172, 168 (2017)]. Ключевой проблемой развития данного направления является создание новых материалов мембран с высокой селективностью по отношению к литию.
Жидкие мембраны могут представлять собой растворы краун-эфиров в несмешивающихся с водой органических жидкостях. Развитие этого направления требует детального исследования свойств водных и неводных растворов краун-эфиров и криптандов в присутствии ионов щелочных металлов, а также свойств двойного электрического слоя на границе двух таких несмешивающихся жидкостей и процессов переноса ионов через него.
Альтернативным перспективным подходом для извлечения лития из бедных рассолов является его осаждение в виде ДГАЛ-Cl (LiCl (2,5−3,0)Al (OH)3(2−4)H2O). Такой подход позволяет работа с сырьем, содержащим существенно большие концентрации магния в рассоле [X. Liu et al. // Hydrometallurgy, 176, 73 (2018)]. Однако, данный подход сталкивается с проблемой стабильности абсорбента при его многократном использовании. Поиск способов повышения стабильности форм ДГАЛ-Cl способных к обратимой сорбции лития представляет собой актуальную задачу, важную для разработки новых методов выделения лития из бедных рассолов.
Моделирование процессов адсорбции на поверхностях методами молекулярной динамики также необходимо для сопровождения экспериментов, для теоретического изучения гетерогенных каталитических систем, слоистых гетероструктур с технологически интересными электронными свойствами, эпитаксиального роста из газовой фазы, и других применений. В этой области существует ряд трудностей, связанных с использованием классических потенциалов межатомного взаимодействия, в массе своей созданных для моделирования вещества в объеме, а не у границы сред. В то же время, квантово-химические методы упираются в пределы размеров системы и, как следствие, вычислительной сложности, и вынуждают ограничивать рассмотрение модельными системами (простая геометрия поверхности, единичные молекулы на ней) [C. Stampfl et al. // Surface Science 500, 1−3, 368−394, (2002)]. Развитие молекулярно-динамических методов на основе межатомных потенциалов необходимо, чтобы перейти от модельных систем к технологически релевантным [J. C. Fogarty et al. // J. Chem. Phys. 132, 174 704 (2010)].
Партнеры
Сотрудничество
  • МФТИ: Лаборатория скважинной, инженерной и разведочной геофизики
    Технологии, приборы и программное обеспечение для геофизической разведки и мониторинга недр
  • МФТИ: Лаборатория суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния
    Свойства твердых тел, жидкостей, полимеров, плотных систем заряженных частиц, биомолекулярных систем и других типов конденсированных сред и процессов, происходящих в них
  • ОИВТ РАН: Лаборатория 14.2 — Теории конденсированного состояния
    Структура и свойства смазочных и топливных жидкостей
  • Imperial College London:Tribology Group
    Свойства смазочных и топливных жидкостей
  • НИУ ВШЭ: Международная лаборатория суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа, руководитель — Григорий Смирнов
    Проектирование суперкомпьютеров, создание тестов производительности для задач атомистического моделирования
  • Университет ИТМО: Центр инфохимии, руководитель — Екатерина Скорб
    Механизмы нуклеации в водных растворах меламина и производных циануровой кислоты
  • Сколтех: Центр технологий материалов
    Исследование оксида графена
  • ИФВД РАН и ЮУрГУ
    Прогнозирование свойств высокоэнтропийных расплавов Al, Cu, Ni
Телеграм-канал: https://t.me/softmatter_mipt

Николай Дмитриевич Кондратюк
E-mail: kondratyuk@phystech.edu

141701, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский переулок, д. 9