Реферат: Реферат роботи Єлізаров М. О. хемографічний метод візуалізації гетерогенних процесів малої І надмалої інтенсивності Мета роботи

Реферат роботи


Єлізаров М.О.


хемографічний метод візуалізації гетерогенних процесів малої і надмалої інтенсивності


Мета роботи: встановлення природи хемографічного ефекту, виявлення його можливостей щодо візуалізації гетерогенних процесів малої і надмалої інтенсивності та окреслення кола наукових і науково-технічних напрямків використання цього ефекту

Актуальність теми. Велика кількість найрізноманітніших важливих фізико-хімічних і хімічних процесів (явища адсорбції і десорбції, електролітичної корозії, плазмохімії, геохімії, метаболізму біоструктур і т.ін.) відбувається з участю малих і надмалих концентрацій реагентів, коли динаміку явища обумовлює не колективна, а одиночна молекулярна взаємодія. Через це в останні десятиліття стрімко розвивається окремий новий науковий напрям сучасного природознавства: фізика систем з надмалими концентраціями частинок. Однак її розвиток стримує відчутний брак методів і методик експериментального виявлення і дослідження цих процесів, зокрема, методів їх візуалізації. Цей брак зумовлює те, що візуалізація фізико-хімічних процесів з участю надмалих концентрацій речовин (ПзНКР) потребує застосування такого реєстратора, який при дуже великій чутливості до реєстрованого реагента сам би практично не втручався у перебіг процесу. І якщо для візуалізації, наприклад, ПзНКР в газовій фазі вже вдалося розробити такі методи, як метод молекулярних ядер конденсації, то методи візуалізації гетерогенних ПзНКР досі відсутні. Для виявлення надмалих доз речовини в усіх основних сучасних методах дослідження поверхні твердого тіла використовують високоенергетичні зонди та високий вакуум, а це не дозволяє спостерігати природну хімічну взаємодію атомів і молекул, оскільки руйнує її. Унікальний інтерес в цьому плані становить використання звичайної фотоплівки на основі AgBr не для звичної реєстрації квантів світла, а для реєстрації хімічних продуктів, здатних аналогічно світлу прореагувати з AgBr і створити “приховане зображення реакції”, – такі продукти при окислювально-відновних процесах продукують поверхні багатьох металів і напівпровідників (так званий хемографічний ефект). Для створення на основі цього ефекту нового методу візуалізації гетерогенних реакцій малої і надмалої інтенсивності – методу хемографії – актуальним і необхідним є експериментальне і теоретичне дослідження спектру можливих хемографічних реакцій і цілого ряду мало вивчених особливостей ефекту. Такі дослідження відкривають шлях до свідомого і результативного використання хемографічного ефекту (ХГЕ) як основи методу візуалізації гетерогенних ПзНКР, а також виявляють коло можливих наукових і науково-технічних напрямків корисного його використання.

^ Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній одержані такі наукові результати.

Вперше встановлено природу ХГЕ, яка полягає у створенні латентного зображення в фотоемульсії джерелом атомарного водню завдяки переведенню срібла з солі AgBr в атомарний стан, що дозволило визначити області корисного застосування цього ефекту.

Створено фізико-хімічну та математичну моделі рекомбінації атомарного водню в молекулярний при дифузії його у водний розчин зі стаціонарного джерела утворення, на основі якої вперше показано, що, не зважаючи на велику швидкість цього процесу, поблизу діючого джерела атомарного водню присутня його залишкова концентрація, достатня для виникнення ХГЕ.

На основі експериментального і теоретичного дослідження кінетики дифузії атомарного водню в гетерогенних системах тверде тіло – вода та тверде тіло – слабкий розчин електроліту дістали подальший розвиток і поглиблені уявлення про механізми впливу на значення ефективного коефіцієнту дифузії специфіки взаємодії атомарного водню з вільними йонами, яка приводить до локалізації захвату ними атомарного водню в вузькій ділянці розчину з різним рН і утворює різкий фронт дифузії; це дозволяє візуалізовувати в динаміці фізико-хімічні процеси на поверхні твердого тіла, зокрема електродні.

Вперше встановлено кластерний характер електропровідності дисперсного середовища ґрунту, що дозволило з позицій теорії протікання описати механізм провідності по цих кластерах, а також визначити параметри кластерної провідності для різних умов зволоженості і мінералізації ґрунту.

^ Практичне значення роботи. Хемографічним методом експериментально візуалізовані різноманітні процеси, до яких відносяться: корозійні процеси, електролізні процеси з виділенням атомарного водню, плазмохімічні, деякі біохімічні та інші. Візуалізовані з самих ранніх стадій корозійні і деградаційні процеси на поверхнях деяких хімічно чистих речовин, металів та сплавів, і для випадків покриття цих поверхонь тонкими металевими плівками. Візуалізовані явища йонно-електронного перенесення в суцільних електролітах та дисперсних електролітичних середовищах. Візуалізовані явища корозії металу в електролітично дисперсній системі вологого ґрунту, і показана їх суттєва відмінність для різних мір зволоження ґрунту.

Результати, одержані в роботі, можуть бути практично використані для

контролю якості технологічних операцій в мікроелектроніці, пов’язаних з виготовленням напівпровідникових мікросхем;

контролю ефективності захисних покриттів металевих виробів і конструкцій, що експлуатуються в різних агресивних умовах, а також при розробці технологій їх створення. це перш за все тонкошарові покриття металевих трубопроводів, деталей машин і апаратів в хімічній, харчовій, фармацевтичній та інших галузях промисловості. зокрема ХГЕ може бути використаний для дослідження дифузійних профілів цих покрить;

моделювання через візуалізацію корозійних процесів при проектуванні конструкцій, машин і механізмів різного призначення, де неминуче контактуватимуть хімічно різні метали і виникатимуть умови для розвитку різних видів локальної корозії;

створення заснованих на ХГЕ надчутливих датчиків виділення атомарного водню, зокрема при корозійних процесах в нафто- та газопроводах, а також інших підземних комунікаціях з метою контролю ефективності їх електрохімічного захисту та надійності антикорозійної ізоляції;

контролю якості обробки поверхні металів ультразвуком, гідроструменевим та лазерним різанням; діагностики втомлюваності металів; дослідження процесів наводнення металів;

дослідження через візуалізацію явища біокорозії, зокрема біокорозії підземних магістралей;

вивчення впливів біологічно активних речовин на вільні від оксидів поверхні металів і напівпровідників через наступну хемографічну візуалізацію наслідків цих впливів з метою розвитку принципово нових методів діагностики в медицині та ветеринарії.

^ Основні результати і висновки. В роботі вирішено актуальну наукову задачу створення на основі ХГЕ ефективного методу візуалізації широкого кола фізико-хімічних процесів малої і надмалої інтенсивності. Застосування розробленого методу дозволяє досліджувати динаміку цих процесів без втручання в їх перебіг. Динаміка фізико-хімічних процесів з участю малих і надмалих концентрацій реагентів є специфічною, бо обумовлена не колективною, а одиночною молекулярною взаємодією. Проте цю динаміку неможливо досліджувати теперішніми методами виявлення надмалих доз речовини, оскільки при їх застосуванні порушується природний хід процесів. Тому ХГЕ становить великий інтерес як основа методу візуалізації гетерогенних фізико-хімічних реакцій надмалої інтенсивності, який при дуже великій чутливості до реєстрованого реагента практично не втручається у перебіг реакції.

Основними результати роботи є наступні.

Встановлена природа ХГЕ, яка полягає у створенні латентного зображення в фотоемульсії джерелом атомарного водню завдяки переведенню молекулярного срібла AgBr в атомарний стан.

Створена кількісна модель реактивної релаксації атомарного водню в молекулярний, на основі якої показано, що не зважаючи на безактиваційний і інтенсивний характер утворення молекулярного водню в будь-якій водневій системі з діючим джерелом атомарного водню, останнього залишається хоч і зникаючо мала, але достатня кількість для збудження ХГЕ. В гетерогенних процесах окислення поверхонь твердих тіл типовим значенням концентрації атомарного водню у воді поблизу реєструючої його фотоплівки є 3ּ1011 см-3, при цьому час релаксації в молекулярний водень (після припинення дії джерела) становить 30 год.

Експериментально і теоретично досліджена кінетика дифузії атомарного водню в гетерогенних системах тверде тіло – вода та тверде тіло – слабкий розчин електроліту, і показано, що ефективний коефіцієнт дифузії атомарного водню є функцією рН розчину, а специфіка взаємодії атомарного водню з вільними йонами приводить до локалізації захвату ними атомарного водню в вузькій ділянці розчину і утворення різкого фронту дифузії.

Встановлена природа процесу дозволила окреслити теоретично і експериментально коло гетерогенних процесів, в яких може бути плідно застосований хемографічний метод візуалізації. До них відносяться: корозійні процеси, електролізні процеси з виділенням атомарного водню, плазмохімічні, деякі біохімічні та інші. Сформульовані основні методичні принципи використання ХГЕ як методу візуалізації.

Візуалізовані з самих ранніх стадій корозійні і деградаційні процеси на поверхнях чистих речовин (кремній), металів та сплавів (дюраль), і для випадків покриття цих поверхонь тонкими металевими плівками. При цьому зареєстровано виникнення різних форм локальної корозії, зокрема пітингової.

Візуалізовані явища корозії металу в електролітично дисперсній системі вологого ґрунту, і показана їх суттєва відмінність для різних мір зволоження ґрунту. Встановлено кластерний характер електропровідності ґрунту за умов як малих, так і великих зволожень, і з позиції теорії протікання описано механізм провідності по цих кластерах.

Загальна кількість наукових статей, опублікованих за темою роботи: 8, зокрема у міжнародних журналах, що містяться в базі даних SCOPUS – 1.


Автор М.О. Єлізаров