ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ — АЭРОЗОЛИ

Интерес к аэрозолям непрестанно подогревается обостряющейся экологической ситуацией, ибо эти самые аэрозоли играют здесь далеко не последнюю роль. В Институте химической кинетики и горения аэрозольная тематика присутствует в планах многих научных коллективов — понятно, у каждого свои задачи. В лаборатории лазерной фотохимии аэрозолями занимается группа во главе со старшим научным сотрудником, к.ф.-м.н. Андреем Онищуком.

Людмила Юдина, "НВС"

— Андрей Александрович, какие направления исследованийе аэрозолей в сфере ваших научных интересов?

— Нас прежде всего интересует, согласно каким законам аэрозольные частички соединяются друг с другом, образуя при этом агломераты с различными свойствами. Например, в одном случае получаются вытянутые цепочки, на поверхности которых, соответственно, может осесть много вредных веществ. Они летят обычно на большие расстояния, легко проникают в легкие человека и т.д.

В другом случае получаются компактные плотные образования в виде клубков, и они быстро выпадают из атмосферы.

В ходе исследования образования и роста аэрозольных частиц, этого чрезвычайно любопытного для исследователя объекта, удалось обнаружить несколько занятных эффектов. Обратимся к одному из примеров. В процессе термического разложения газа моносилана с образованием твердого кремния возникает множество аэрозольных частиц. Мы изучали процесс в связи с его использованием в микроэлектронике при производстве интегральных схем. Образование аэрозолей при этом — процесс нежелательный, приводящий к ухудшению качества продукции. Наблюдая за движением частиц кремния в процессе их слипания, удалось установить, что эти частицы устремляются друг к другу с ускорением, образуя в результате длинные цепочные агломераты.

Но что обеспечивает ускорение частиц? Что заставляет их двигаться, какие силы вступают в действие? На данный вопрос и предстояло получить ответ. Изучение движения частиц в электрическом поле показало, что это — электростатические силы. Но так как сами аэрозольные частицы, образующиеся в ходе процесса, электрически нейтральны, то ясно,что это диполи,имеющие положительные и отрицательные заряды на концах.

И еще один существенный момент. В других процессах, таких как сажеобразование в пламени углеводородных топлив, обнаружено, что образуется огромное количество и просто заряженных частиц. На этот факт прежде попросту не обращалось внимание.

— В силу каких обстоятельств не придавали этому явлению должного значения?

— Аэрозольная наука еще слишком молода, и в ней множество белых пятен, нерешенных проблем. Зарождаться эта наука начала где-то в тридцатые годы. Внимание к аэрозольным проблемам связывают со временем, когда после первой мировой войны стал особо проявляться интерес к отравляющим веществам. Развитие отрасли заметно активизировалось, когда появилось необходимое оборудование — микроскопы, аэрозольные счетчики, соответствующие методики. В итоге — значимые результаты. Так, сравнительно недавно стало известно, что значительное число аэрозольных систем содержит заряженные частицы.

Когда идут высокотемпературные процессы, то происходит хемиионизация, то есть в пламени образуется большое количество ионов. А раз есть ионы, то и аэрозольные частицы тоже в конце концов приобретут заряды.

Заряженные частицы, как уже было отмечено выше, образуются и в системах, где пламя не присутствует. Но они всегда формируют цепочечные агломераты. А незаряженные — образования более плотные, компактные.

— И от этого, как вы упоминали, зависит их дальнейший маршрут...

— Назову еще один неожиданный эффект, который мы наблюдали. Оказывается, наличие зарядов в аэрозольных частицах, которые образуются при сгорании топлива в реактивных двигателях, приводит к тому, что образовавшиеся длинные агломераты затем снова сворачиваются.

Иными словами, сначала идет процесс создания длинных цепочек. А затем, когда они "набирают" нужную длину, усиливается их подвижность, концы приходят в движение относительно друг друга. А на концах, как мы уже отмечали, имеются противоположные заряды, они притягиваются. И вот эти длинные цепочки начинают приходить в компактное состояние. То есть, сначала заряды провоцируют линейный рост, а затем они же заставляют частицы скручиваться.

— То есть свойства меняются с точностью до наоборот?

— Что-то в этом роде. Появляется возможность манипулировать свойствами аэрозольных частиц. Мы можем, например, не позволить цепочке разрастись до критических размеров. Значит, аэрозоль полетит далеко, много на себя адсорбирует, будет вредной для человека. А если цепочка достаточно разрастается, то затем стремительно сожмется, станет компактной и аэрозоль быстро осядет.

— Как я поняла, все эксперименты проводились в лаборатории? А можно ли перенести их в промышленное производство?

— Мы решаем фундаментальную задачу, и пока не ставили перед собой прикладных целей. Проблема сама по себе довольно широкая — изучение поведения наночастиц (частиц размерами в одну миллиардную долю метра). Собственно, в ходе работы над наночастицами и выкристаллизовалась аэрозольная тематика.

Ну, а об использовании принципа в промышленных условиях — думаю, это решаемо. Скажем, есть промышленная установка, в которой используется процесс горения определенного топлива. Выбросы, разумеется, идут в атмосферу. Но мы желаем, чтобы они осели в нужном месте. Вносим в топливо ионизирующие добавки и получаем желаемый результат. И так в любом процессе.

Беря на вооружение полученные данные, мы сможем со временем предсказывать, что будет с экологической обстановкой в том или ином регионе.

— С открытыми эффектами связываете большие перспективы?

— Широчайшие! Аэрозоли — по существу второе состояние вещества, не соединенного, а раздробленного, с другими свойствами. Они играют весьма значительную роль во всей нашей жизни. И на этом завязана вся экология. Возьмите любое промышленное производство — масса процессов идет с аэрозолеобразованием. В лакокрасочной промышленности, например, широко используют диоксид титана: его мельчайшие частички, добавляемые в белила, и дают тот самый белый цвет. Существует огромное многотоннажное производство этих частичек. Их, конечно, удобнее получать в газовой фазе — метод чистый и непрерывный, хорош с точки зрения выхода продукта.

Активнейшим образом развивается сейчас порошковая металлургия. Изделия из порошков металлов обладают рядом не сравнимых ни с чем качеств. И важно с наименьшими затратами производить порошки металлов. А один из способов получения порошков — конденсация пересыщенных паров металла.

И в любом процессе, где происходит образование пересыщенного пара, всегда присутствуют аэрозольные частицы.

Так что повторю, аэрозоли — интереснейший объект исследования. Мы, насколько это возможно, изучили одну аэрозольную систему, перешли к другой. Вывели общие закономерности. Из этого снова "вычленили" систему и изучаем ее. Процесс познания бесконечен. Тем более, что в этой области науки еще много белых пятен.