С помощью тепловидения можно не только вычислять злоумышленников, искать потерявшихся в темном лесу людей и осуществлять медицинские исследования, но и обнаруживать невидимые грани процессов, протекающих во время химических реакций. Ученые Института физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН предлагают изучать таким образом механизмы взаимодействия газов с твердыми поверхностями и решать экологические проблемы, связанные с холодным стартом автомобилей.

Всем знакомое ощущение: когда мы неосторожно открываем крышку кастрюли с кипящей водой, то выходящий пар обжигает руку. Температура пара — 100 °C, поверхности руки — 32 °C. По сути, для него наша кожа служит аналогом той холодной железки зимой, которая обрастает инеем, если на нее подышать. Пар конденсируется на ней, и во время этого процесса выделяется много теплоты, из-за которой и наступает ожог.

На физическом уровне здесь происходят два эффекта. Первый: в паре молекулы быстро движутся, развивают высокую тепловую скорость, а когда «садятся» на руку и «прилипают» к ней, эту кинетическую энергию надо куда-то девать, и она передается руке. Второй эффект: когда молекула останавливается и «садится» на поверхность, она как бы привязывается к ней и проваливается в некоторую потенциальную яму, и потеря ее энергии тоже переходит в теплоту.

Если капнуть на руку негорячей водой, на коже, наоборот, возникнет ощущение прохлады. Это от нашего тела забирается некоторое количество теплоты, необходимое для испарения жидкости.

«Я уже около 30 лет обучаю этим эффектам школьников в СУНЦ НГУ. Примерно 10 лет назад, когда в ходе обычных исследований тепловизор был направлен на баночку с водой, куда нечаянно упал кусочек сухой ткани, я обнаружил неожиданный эффект — на экране появился сильный тепловой всплеск. Первая мысль была: в поле зрения прибора попало отражение какого-то излучения. Окончательно поверить в то, что это просто пары воды сконденсировались на сухой поверхности ткани, я смог только через неделю после проведения дополнительных опытов. До этого момента я не мог даже представить, насколько, оказывается, тепловидение чувствительно к таким сорбционным-десорбционным эффектам. Отвлекало от правильной мысли то, что вода в баночке была холодная, а давление паров над холодной водой обычно очень низкое. Я подумал: неужели такое малое количество пара при конденсации дает столь сильный тепловой эффект?» — рассказывает ведущий научный сотрудник Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, профессор НГУ, доктор физико-математических наук Борис Григорьевич Вайнер.

Борис Григорьевич Вайнер

Благодаря этому случаю в ИФП СО РАН занялись исследованиями адсорбционно-десорбционных процессов на твердых поверхностях с применением тепловизионного метода. Этот прибор позволяет изучать не только воду, но и другие газы и пары, поверхности гидрофильных и гидрофобных материалов. По тепловому эффекту, наблюдаемому с помощью тепловизора, можно, сопоставляя его с расчетными моделями и литературными данными, получать новые знания о механизмах взаимодействия тех или иных газовых молекул с разными твердыми поверхностями.

Тонкости терминологии: когда молекулы при выходе из жидкости переходят в газообразное состояние, их называют паром. Но если закупорить этот пар в бокс, отнести от жидкости и рассматривать отдельно, вещество в таком состоянии принято именовать газом.

«У меня возник вопрос: насколько чувствительно современное тепловидение, которым мы занимаемся, к этой адсорбции и десорбции молекул? Иначе говоря: сколько надо посадить на поверхность монослоев молекул (монослой — единичный, плотно упакованный слой молекул. – Прим. ред.), чтобы выделилось количество теплоты, необходимое для изменения температуры, которое смог бы зарегистрировать тепловизор? —говорит Борис Вайнер. — Я провел теоретические оценки и очень сильно удивился. Оказалось, в лабораторных условиях можно реализовать такой режим, что тепловизор почувствует не просто монослой, а десятые и даже сотые доли монослоя осажденной адсорбированной воды на твердой поверхности».

То есть тепловизор способен заметить разницу температур, вызванную процессом, когда на 10, а то и 100 твердотельных атомов поверхности садится всего лишь одна молекула воды. Однако, как только исследователи стали оценивать условия, необходимые для постановки эксперимента, они поняли, что в обычной лабораторной обстановке, на открытом воздухе их реализовать невозможно.

Во-первых, надо взять совершенно сухой газ (вымороженный или осушенный): скажем, аргон или азот, пустить его поток в камеру, «вплеснуть» немного воды, нужной для образования пара. Причем температура этой воды должна быть ... –40 °C (!). По сути, пар должен представлять собой единичные молекулы, которые путем возгонки вылетают из этого льда, а потом подмешиваются к потоку газа-носителя. Также надо создавать разрежение в самой камере: только то мизерное количество воды, которое будет садиться на поверхность, создаст десятые и сотые доли монослоя. Кроме того, важно организовать эксперимент так, чтобы за всеми этими процессами можно было наблюдать в динамике.

Ученые стали работать над такой установкой. Макет был создан, на нем провели первые опыты, увидели подводные камни, переделали. На ближайшие три года руководителем проекта Борисом Вайнером и его командой выигран грант РФФИ, в рамках которого ученые надеются реализовать все необходимые для эксперимента условия.

«Мы сейчас на подходе к тому, чтобы довести создание установки до рабочего варианта, — рассказывает Борис Вайнер. — Тепловизор, созданный нами в ИФП СО РАН, работает на предельном уровне чувствительности, доступной современным приборам, и способен производить измерения со скоростью 100 кадров в секунду. С его помощью можно изучать самые начальные стадии адсорбционных и десорбционных процессов, протекающих на поверхности. Появляется абсолютно новый, в мире в таком режиме не используемый высокочувствительный количественный метод исследования взаимодействия молекул одной фазы с молекулами другой».

Тепловизионная установка

Для фаз твердое тело — газ есть очень много практических задач. Так, ученые ИФП СО РАН начали тесное сотрудничество с Институтом катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и перешли к тепловизионному исследованию низкотемпературных каталитических реакций, которые, в частности, актуальны при решении насущной экологической проблемы холодного старта автомобилей.

В газе, который вырабатывается после сгорания топлива, содержится несколько вредных веществ, одно из них — СО (угарный газ). Он очень токсичный, и чтобы не выбрасывать его в окружающую среду, с ним надо как-то бороться. Обычно это решается следующим образом: когда катализатор разогревается, то СО, проходя через него, соединяется с кислородом, и в выхлопе получается гораздо менее вредный CO2. Но эта реакция успешно протекает при температурах 300—400 °C, а при пуске холодного двигателя обычный катализатор работает неэффективно или вообще не работает. То есть ему в помощь нужен другой катализатор. Его нашли уже довольно давно. Это наночастички золота, нанесенные на специальный носитель — например, Al2O3. Когда кислород взаимодействует с СО на таких наночастичках, СО также окисляется до CO2, но способен это успешно делать при обычной температуре окружающей среды.

«Мы решили посмотреть на происходящий каталитический процесс с помощью тепловизора и обнаружили много интересного – того, что пока еще не удавалось увидеть прежним исследователям, изучавшим такие физико-химические системы. К примеру, перед нашими “вооруженными глазами” предстали тепловые волны, которые распространялись при развитии каталитической реакции. Нам стало понятным, как быстро это происходит, в какой части катализатора начинается процесс, в какой — заканчивается, где какие температурные колебания возникают, — говорит Борис Вайнер. — Несмотря на то, что эта задача решается многие десятки лет, таких подходов, способных принести новые знания о динамике процесса с помощью современного тепловидения и усовершенствовать технологию изготовления катализаторов, пока еще в мире реализовано не было. Мы сейчас успешно решаем эту проблему в контакте с ИК СО РАН.

В области исследования гидрофильности и гидрофобности материалов с применением тепловидения уже сейчас можно переходить к решению практических задач. Например, создание лекарств в порошках — как они прореагируют с влагой, если вытащить их на воздух во влажную среду? Зачастую для определения степени гидрофильности до сих пор еще применяют “дедовский” метод — насыпают порошок в воду: утонул, значит, гидрофильный, плавает – гидрофобный. Тепловизор способен здесь существенно повысить уровень информативности, в особенности при изучении свойств новых материалов.

«К сожалению, метод тепловидения, его высочайшие потенциальные возможности, в мире пока еще практически не поняты. Сегодня появились тепловизионные камеры с выдающимися техническими характеристиками, можно проводить количественные исследования того, о чем раньше и мечтать нельзя было. Я уверен, что речь идет о каких-нибудь пяти — семи годах, когда это направление станет высоко востребованным и очень популярным»,— резюмирует наш разговор Борис Вайнер.

Диана Хомякова

Фото автора

Источник: www.sbras.info