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.

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".

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, Al 2 O 3. 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

Источники

Реакция тепла
Наука в Сибири (sbras.info), 31/07/2018
Новосибирские ученые с помощью тепловидения изучают механизмы взаимодействия газов с твердыми телами
БезФормата.Ru Новосибирск (novosibirsk.bezformata.ru), 01/08/2018

Похожие новости

  • 01/03/2018

    Исследования группы российских ученых помогут при изучении новых полимерных материалов

    ​Ученые из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и  Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН (НТЦУП РАН), подведомственных ФАНО России, совместно с коллегами из Российского университета дружбы народов (РУДН) провели серию экспериментов по исследованию термостимулированных поверхностных плазмон-поляритонов (ТППП).
    575
  • 25/06/2018

    Павел Логачев: источник синхротронного излучения будет центром, который объединит разные научные направления

    ​В проекте Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) уже сейчас задействовано много институтов, а в будущем установка станет крупным центром общего пользования. Представители нескольких научных направлений рассказали, почему источник синхротронного излучения (СИ) важен для Академгородка и его ученых.
    430
  • 22/05/2015

    Электрон похудел

    В новосибирском Академгородке получен уникальный материалСАМЫЙ обычный, известный из школьного курса физики электрон преподнес сюрприз: он вдруг потерял массу. Точнее, он движется так, словно ее нет.
    1606
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    524
  • 22/08/2018

    Учеными впервые запечатлены флуктуации при квантовом фазовом переходе

    Физики впервые смогли напрямую зафиксировать локальную динамику системы, которая совершает квантовый фазовый переход, — аналог таких процессов, как конденсация и кристаллизация. В результате ученые пронаблюдали квантовый аналог пузырей пара, которые появляются в воде во время кипения.
    335
  • 05/12/2018

    Автоматика для цехов и проспектов

    ​В Институте автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН прошло совещание по вопросам внедрения разработок института в реальном секторе экономики. Организатором мероприятия выступил департамент промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии Новосибирска.
    151
  • 26/07/2016

    Ученые СО РАН знают, как создать аэрогель

    ​Высокотехнологичные материалы, которые производят ученые новосибирского Академгородка, можно использовать не только в космических опытах или экспериментах на встречных пучках, но также в стеклопакетах и при теплоизоляции зданий.
    1405
  • 29/08/2018

    В Новосибирске обсудили перспективы развития технологической кооперации науки и производства

    ​Заседание Совета главных инженеров предприятий Сибирского федерального округа на VI Международном форуме и выставке технологического развития "Технопром-2018" было посвящено перспективам развития технологической кооперации науки и производства.
    299
  • 22/12/2017

    Новосибирские физики сконструируют для лунной базы солнечные батареи

    ​Освоение других планет - давняя мечта человечества. Но ее невозможно реализовать, не решив энергетическую проблему. Новосибирские физики предложили способ усовершенствовать солнечные батареи для работы в космосе.
    557
  • 25/05/2018

    Фокусирующий аэрогель поможет распознать частицы в экспериментах на будущем новосибирском коллайдере

    ​Ученые Института ядерной физики им Г.И. Будкера СО РАН разработали проект системы идентификации частиц для экспериментов на будущем новосибирском коллайдере - Супер С-Тау фабрике. Это одна из ключевых систем планируемой установки, она позволит с высокой надежностью определять типы рождающихся в эксперименте частиц.
    415