Анотація до роботи:

Хоменко О.В. Самоорганізація та формування низьковимірних систем при віддаленні від рівноваги. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико–математичних наук за спеціальністю 01.04.07 — фізика твердого тіла, Сумський державний університет, Суми, 2009.

Дисертацію присвячено дослідженню моделей самоорганізації низьковимірних конденсованих систем, що базуються на самоузгоджених диференціальних рівняннях. Запропоновано синергетичну реологічну модель Лоренца, яка описує плавлення ультратонкої плівки мастила. Описано гістерезис, який виникає під час плавлення. З урахуванням впливу білого та кольорового шумів розраховано фазові діаграми з областями сухого, рідинного та переривчастого тертя. Проведено якісний аналіз часових залежностей напружень для всіх областей діаграм. Визначено умови реалізації самоподібного режиму плавлення мастила. Знайдено параметри, за яких тертя зменшується. Фрагментацію металів у процесі інтенсивної пластичної деформації розглянуто з позицій теорії фазових переходів Ландау. Синергетична концепція використовується для опису утворення потокових станів сипких середовищ (лавин), механізму вибухової кристалізації ультрадисперсних аморфних плівок, ефекту пам’яті і неергодичності в нерівноважних термодинамічних системах та фазових переходів з комплексним параметром порядку і між режимами транспортного потоку. На основі аналізу експериментальних даних про нано– та субмікрокристали показано, що їх аномальний характер обумовлений переходом у гетерогенний стан, у якому пружне поле меж зерен екранується прошарком, що характеризується в’язкiстю.

У дисертації наведено результати досліджень, отриманих при розробленні наукової проблеми "Самоорганізація та формування низьковимірних систем при віддаленні від рівноваги", які дозволили встановити і поглибити модельні уявлення про механізми, статистичну картину і кінетику фазових перетворень, що відбуваються у низьковимірних системах під впливом зовнішніх чинників. Розвинено модель, за допомогою якої можна описати ефекти, що спостерігаються при терті атомарно–гладких твердих поверхонь, розділених ультратонким шаром мастила. Результати роботи дозволяють розширити уявлення про фізику тертя нановимірних об’єктів, коли звичайні закони, на зразок закону Амонтона, не виконуються. Дослідження ІПД у рамках теорії фазових переходів передбачає можливість виникнення нових режимів фрагментації і відповідно отримання матеріалів із заданими властивостями. Запропоновано моделі, що дозволяють описати процеси самоорганізації низьковимірних систем та утворення стаціонарних гетерофазних наноструктур у нерівноважних конденсованих середовищах. Проведені комплексні дослідження дали можливість розвинути схему термодинамічних перетворень на відкриті системи та зробити такі висновки.

1. Плавлення ультратонкої плівки мастила при терті між атомарно–гладкими твердими поверхнями представлено як результат дії зсувних напружень, що спонтанно з’являються, яка спричиняється зовнішнім надкритичним нагрівом. На основі рівняння Гінзбурга–Ландау–Халатнікова описано просторові розподіли напружень, деформації і температури у плівці мастила. Критична температура поверхонь тертя, за якої відбувається плавлення, збільшується із зростанням характерного значення зсувної в’язкості і зменшується із зростанням модуля зсуву мастила лінійним чином. Показано, що переривчастий режим тертя (stick–slip) реалізується, якщо час релаксації температури мастила набагато перевищує його значення для зсувних напружень і деформації. Описано гістерезис залежностей стаціонарних напружень від стаціонарної деформації і температури поверхонь тертя. Досліджено плавлення мастила при температурних залежностях в’язкості, що описуються співвідношенням Фогеля–Фулчера і степеневим виразом, які спостерігаються експериментально. Показано, що існує критична температура поверхонь тертя, при перевищенні якої відбувається плавлення плівки мастила. Визначено значення характерних параметрів, що необхідні для зменшення тертя.

2. Враховано адитивний некорельований шум зсувних напружень і деформації, а також температури плівки мастила. Побудовано фазові діаграми, де інтенсивності флуктуацій деформації і температури мастила, а також температура поверхонь тертя визначають області рідинного, переривчастого і сухого тертя. Показано, що збільшення інтенсивності шуму деформації приводить до плавлення плівки мастила навіть при низьких температурах поверхонь тертя. При чисельному аналізі рівняння Ланжевена для різних областей діаграми побудовано часові залежності напружень, які дозволяють пояснити експерименти з тертя, де спостерігається переривчастий рух. Розглянуто плавлення мастила за рахунок дисипативного розігріву поверхонь тертя і дано пояснення експериментально визначеним часовим залежностям сили тертя.

3. Досліджено плавлення з урахуванням флуктуацій її температури, які описуються процесом Орнштайна–Уленбека. Показано, що виникають три переривчасті режими руху, що характеризуються переходами між сухим, метастабільним і стійким рідинними режимами тертя.

4. У рамках теорії фазових переходів Ландау досліджено фрагментацію твердих тіл у процесі ІПД. Побудовано фазову діаграму, де перші два інваріанти пружної частини тензора деформації визначають області реалізації різних типів граничних структур. Встановлено, що із збільшенням пружних деформацій розмір зерен у граничних структурах зменшується. Знайдено умови формування двох граничних структур, що відповідає режиму, при якому існує суміш зерен різного розміру. Проведено врахування адитивного некорельованого шуму основних параметрів і побудовано фазову діаграму в осях інтенсивність шуму температури і другий інваріант тензора деформації.

5. Досліджено найпростішу синергетичну модель формування лавини під час руху піску по похилій площині (модель sandpile). З урахуванням адитивних некорельованих флуктуацій швидкості течії піску і нахилу його поверхні побудовано фазову діаграму, що визначає області формування лавини, рівноважного і змішаного стану.

6. На основі аналізу результатів експериментального дослідження вибухової кристалізації ультрадисперсних аморфних плівок германію показано, що при малій товщині плівки кристалізація ініціюється локальною тепловою дією, а при великих — проходить спонтанно. Показано, що на відміну від звичайного режиму кристалізації вибухова обумовлена нестійкістю теплового характеру, яка представляється схемою Лоренца. У результаті вибухова кристалізація зводиться до явища СОК, при якому поширення фронту подається дифузією в ультраметричному просторі ієрархічно підпорядкованих лавин. Отримано вирази для стаціонарних розподілів теплоти кристалізації і теплового потоку.

7. Проведено суперсиметричне дослідження системи, що самоорганізується, лагранжіан якої подано полями параметра порядку, амплітуди флуктуацій спряженого поля і пари грасманово зв’язаних полів, що визначають ентропію. У рамках самоузгодженого підходу знайдено макро– і мікроскопічне значення сприйнятливості, а також параметри пам’яті і неергодичності залежно від інтенсивностей термічного і замороженого безладів. Знайдено характерні чисельні значення інтенсивності термічного безладу, за яких відбуваються втрата ергодичності і впорядкування.

8. У рамках комплексної моделі Лоренца досліджено фазовий перехід другого роду, що описується комплексними параметром порядку і спряженим полем, а також керувальним параметром. На фазових портретах виявлено універсальну притягальну ділянку. Встановлено, що відмінність частот зміни параметра порядку і спряженого поля приводить до коливальної поведінки параметрів у комплексних площинах названих величин.

9. На основі аналізу експериментальних даних про структуру і фізико–механічні властивості НК і СМК зроблено висновок, що їх аномальний характер обумовлено переходом меж зерен у збуджений стан, який супроводжується появою далекодіючих пружних полів. У цих умовах системі термодинамічно вигідно увійти у гетерогенний стан, в якому поле меж зерен екранується прошарком, що характеризується в’язкістю. Не відрізняючись структурно від іншої частини зерна, вона має всі атрибути термодинамічної фази, що дозволяє провести стандартний аналіз фазової рівноваги цього прошарку з центральною частиною зерна. Отримані результати пояснюють експериментально знайдену залежність об’ємної частки прошарку від розміру зерна.

Публікації автора:

[1] Олемской А.И. Синергетика конденсированной среды: Учебное пособие / А.И. Олемской, А.В. Хоменко. - Сумы: Изд-во СумГУ, 2002. - 373 с. (Особ. вн.: брав участь у підготовці і систематизації матеріалу до розділу 1 "Теория самоорганизующихся систем", підрозділу 2.8 "Взрывная кристаллизация ультрадисперсных аморфных пленок").

[2] Олемской А.И. Трехпараметрическая кинетика фазового перехода / А.И. Олемской, А.В. Хоменко // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1996. - Т. 110, Вып. 6(12). - С. 2144-2167. (Особ. вн.: провів аналітичне та чисельне дослідження фазових портретів, що подають кінетику фазового переходу).

[3] Khomenko A.V. Solid-liquid transition of ultrathin lubricant film / A.V. Khomenko, O.V. Yushchenko // Physical Review E. - 2003.- Vol. 68, № 3. - P. 036110 (6). (Особ. вн.: використано основні рівняння для опису плавлення ультратонкої плівки мастила, проведено дослідження умов плавлення).

[4] Khomenko A.V. Synergetic theory of ultrathin lubricant film melting / A.V. Khomenko, O.V. Yushchenko // Вiсник Львiвського унiверситету. Серія фізична. - 2005. - Вип. 38. - С. 18-29. (Особ. вн.: виконав аналіз основних рівнянь еволюції пружного та теплового полів при плавленні ультратонкої плівки мастила, провів дослідження впливу деформаційного дефекту модуля зсуву мастила на плавлення).

[5] Khomenko A.V. Stochastic models of ultrathin lubricant film melting / A.V. Khomenko // Вiсник Львiвського унiверситету. Серія фізична. - 2006. - Вип. 39. - С. 23-35.

[6] Хоменко А.В. Синергетическая кинетика граничного трения / А.В. Хоменко, Н.В. Проданов // Вiсник Сумського державного унiверситету. Серiя Фiзика, математика, механiка. - 2006. - № 6(90). - С. 74-84. (Особ. вн.: проведено аналітичне дослідження фазових портретів, що подають кінетику фазового переходу).

[7] Хоменко А.В. Синергетическая кинетика плавления ультратонкой пленки смазки / А.В. Хоменко, Н.В. Проданов // Физика и техника высоких давлений. - 2006. - Т. 16, № 4. - С. 164-179. (Особ. вн.: проведено дослідження залежностей стаціонарних значень основних параметрів у випадку фазового переходу першого роду).

[8] Хоменко А.В. Гистерезисные явления при плавлении ультратонкой пленки смазки / А.В. Хоменко, Я.А. Ляшенко // Физика твердого тела. - 2007. - Т. 49, Вып. 5. - С. 886-890. (Особ. вн.: досліджено гістерезисну поведінку на основі отриманих залежностей стаціонарних напружень від деформації).

[9] Khomenko A.V. Hysteresis phenomena at ultrathin lubricant film melting in the case of first-order phase transition / A.V. Khomenko, I.A. Lyashenko // Physics Letters A. - 2007. - Vol. 366, № 1-2. - P. 165-173. (Особ. вн.: дослідив фазову кінетику мастила).

[10] Хоменко О.В. Фазова динамiка тонкої плiвки мастила мiж твердими поверхнями при деформацiйному дефектi модуля зсуву / O.В. Хоменко, Я.O. Ляшенко // Журнал фiзичних дослiджень. - 2007. - Т. 11, № 3. - С. 268-278. (Особ. вн.: досліджено гістерезисну поведінку на основі отриманої залежності стаціонарних напружень від температури поверхонь тертя та безперервне перетворення).

[11] Khomenko A.V. Temperature dependence effect of viscosity on ultrathin lubricant film melting / A.V. Khomenko, I.A. Lyashenko // Condensed Matter Physics. - 2006. - Vol. 9, № 4(48). - P. 695-702. (Особ. вн.: досліджено вплив температурної залежності в’язкості у вигляді співвідношення Фогеля-Фулчера).

[12] Khomenko A.V. Noise influence on solid-liquid transition of ultrathin lubricant film / A.V. Khomenko // Physics Letters A. - 2004. - Vol. 329, № 1-2. - P. 140-147.

[13] Olemskoi A.I. Self-organized criticality within fractional Lorenz scheme / A.I. Olemskoi, A.V. Khomenko, D.O. Kharchenko // Physica A. - 2003. - Vol. 323. - P. 263-293. (Особ. вн.: брав участь в аналітичному та чисельному дослідженні стаціонарних значень основних параметрів та фазових портретів у детерміністичному випадку і при врахуванні шумів).

[14] Хоменко А.В. Плавление ультратонкой пленки смазки за счет диссипативного разогрева поверхностей трения / А.В. Хоменко, Я.А. Ляшенко // Журнал технической физики. - 2007. - Т. 77, Вып. 9. - С. 137-140. (Особ. вн.: побудовано та проаналізовано часові залежності напружень при дисипативному розігріві поверхонь тертя).

[15] Хоменко А.В. Стохастическая теория прерывистого режима плавления ультратонкой пленки смазки / А.В. Хоменко, Я.А. Ляшенко // Журнал технической физики. - 2005. - Т. 75, № 11. - С. 17-25. (Особ. вн.: досліджено самоподібний, фрактальний і неадитивний характер процесу тертя).

[16] Хоменко А.В. Фазовая кинетика внутреннего трения ультратонкой пленки смазки / А.В. Хоменко, Я.А. Ляшенко // Вiсник Сумського державного унiверситету. Серiя Фiзика, математика, механiка. - 2005. - № 8(80). - С. 68-77. (Особ. вн.: проаналізовано фазову кінетику мастила, здійснено узагальнення результатів).

[17] Хоменко А.В. Влияние флуктуаций температуры поверхностей трения на динамическую фазовую диаграмму / А.В. Хоменко // Вiсник Сумського державного унiверситету. Серiя Фiзика, математика, механiка. - 2004. - № 10(69). - С. 15-28.

[18] Хоменко А.В. Влияние корреляций температуры на самоподобное поведение ультратонкой пленки смазки / А.В. Хоменко, Я.А. Ляшенко // Вiсник Сумського державного унiверситету. Серiя Фiзика, математика, механiка. - 2005. - № 4(76). - С. 70-87. (Особ. вн.: проведено розрахунок фазових діаграм i стаціонарних значень напружень при врахуванні деформаційного дефекту модуля зсуву мастила).

[19] Хоменко А.В. Влияние коррелированных флуктуаций температуры на фазовую динамику ультратонкой пленки смазки / А.В. Хоменко // Журнал технической физики. - 2007. - Т. 77, № 3. - С. 29-37.

[20] Khomenko A.V. Influence of temperature correlations on phase kinetics of boundary friction / A.V. Khomenko, I.A. Lyashenko // Вiсник Львiвського унiверситету. Серія фізична. - 2007. - Вип. 40. - С. 71-85. (Особ. вн.: проведено аналіз фазових портретів, що описують кінетику мастила).

[21] Khomenko A.V. Phase dynamics and kinetics of thin lubricant film driven by correlated temperature fluctuations / A.V. Khomenko, I.A. Lyashenko // Fluctuation and Noise Letters. - 2007. - Vol. 7, № 2. - P. L111-L133. (Особ. вн.: проведено аналіз побудованих фазових діаграм, що описують фазову динаміку мастила).

[22] Хоменко А.В. Фазовая динамика и кинетика интенсивной пластической деформации / А.В. Хоменко, Я.А. Ляшенко, Л.С. Метлов // Металлофизика и новейшие технологии. - 2008. - Т. 30, № 6. - С. 859-872. (Особ. вн.: побудовано та проаналізовано фазову діаграму, що визначає режими фрагментації).

[23] Хоменко А.В. Термодинамика интенсивной пластической деформации с учетом шума / А.В. Хоменко, Я.А. Ляшенко, Л.С. Метлов // Вiсник Сумського державного унiверситету. Серiя Фiзика, математика, механiка. - 2008. - № 1. - С. 5-21. (Особ. вн.: побудовано та проаналізовано залежності стаціонарних значень густини енергії меж зерен від другого інваріанта тензора деформації).

[24] Олемской А.И. Синергетика пластической деформации (обзор) / А.И. Олемской, А.В. Хоменко // Успехи физики металлов. - 2001. - Т. 2, № 3. - С. 189-263. (Особ. вн.: брав участь у підготовці і систематизації матеріалу до розділів 3-5 "Коллективное поведение дислокационно-вакансионного ансамбля в локализованной зоне пластической деформации", "Синергетика структурных превращений при деформации и отжиге ГЦК-металлов", "Волны пластической деформации").

[25] Olemskoi A.I. Explosive crystallization of ultradisperse amorphous film / A.I. Olemskoi, A.V. Khomenko, V.P. Koverda // Physica A. - 2000. - Vol. 284, № 1-4. - P. 79-96. (Особ. вн.: брав участь в обговоренні та інтерпретації експериментальних результатів, визначенні умов вибухової кристалізації та представленні її як режиму СОК).

[26] Olemskoi A.I. Field theory of self-organization / A.I. Olemskoi, A.V. Khomenko, D.A. Olemskoi // Physica A. - 2004. - Vol. 332. - P. 185-206. (Особ. вн.: брав участь у побудові суперсиметричного лагранжевого формалізму та кореляційної техніки для опису системи, що самоорганізується).

[27] Хоменко А.В. Синергетический фазовый переход второго рода с комплексным параметром порядка / А.В. Хоменко // Вiсник Сумського державного унiверситету. Серiя Фiзика, математика, механiка. - 2004. - № 8(67). - С. 5-15.

[28] Olemskoi A.I. Synergetic theory for a jamming transition in traffic flow / A.I. Olemskoi, A.V. Khomenko // Physical Review E. - 2001. - Vol. 63, № 3. - P. 036116 (4). (Особ. вн.: провів дослідження залежностей стаціонарних значень основних параметрів у випадку фазових переходів першого та другого родів, побудував фазові портрети системи).

[29] Хоменко А.В. Синергетическая теория перехода между режимами транспортного потока / А.В. Хоменко, О.В. Ющенко // Вiсник Сумського державного унiверситету. Серiя Фiзика, математика, механiка. - 2000. - № 1(17). - С. 20-26. (Особ. вн.: виконав аналіз основних рівнянь еволюції, провів дослідження впливу залежності часу релаксації параметра порядку від його величини на фазовий перехід, що досліджується).

[30] Олемской А.И. О возбужденном состоянии границы зерна в нано- и субмикрокристаллах / А.И. Олемской, Р.З. Валиев, А.В. Хоменко // Металлофизика и новейшие технологии. - 1999. - Т. 21, № 4. - С. 43-58. (Особ. вн.: брав участь в аналізі експериментальних даних та за поставленим завданням виконав аналітичне та чисельне дослідження термодинаміки фазової рівноваги зеренної та зерномежової фаз НК і СМК, побудувавзалежності об’ємної частки та товщини зерномежової фази від радіуса зерна).

[31] Olemskoi A.I. Field theory of crystal defect structure // Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on Thermodynamics, Microstructures and Plasticity: articles / A.I. Olemskoi, A.V. Khomenko; eds. A. Finel, D. Maziere, M. Veron. - Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. - 2003. - P. 363-373. (Особ. вн.: брав участь в описі впливу розмитого атомного потенціального рельєфу).

[32] Метлов Л.С. Термодинамическая теория плавления ультратонкой пленки смазки / Л.С. Метлов, А.В. Хоменко, Я.А. Ляшенко // Фiзико-хiмiчнi основи формування i модифiкацiї мiкро- та наноструктур: Збiрник наукових праць Мiжнародної наукової конференцiї, 8-10 жовтня 2008 р. - Харкiв, 2008. - С. 206-209. (Особ. вн.: брав участь в отриманні основних та розрахункових рівнянь).

[33] Khomenko A.V. Synergetics of phase dynamics of ultrathin lubricant film / A.V. Khomenko // Statistical Physics 2005: Modern Problems and New Applications: Іnternational conference, 28-30 August 2005: abstraсts. - Lviv, 2005. - P. 102.

[34] Khomenko A.V. Synergetics of friction and boundary lubrication / A.V. Khomenko // XVII International School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals". Beregove, Crimea, 20-26 September 2005: abstraсts. - Kyiv, 2005. - P. 153.

[35] Khomenko A.V. Synergetics of boundary friction / A.V. Khomenko // Statistical Physics 2006: Theory and Applications: Іnternational conference, 12-15 September 2006: abstraсts. - Kharkiv, 2006. - P. 152.