Молодые ученые из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН изучают свойства расплавов редкоземельных металлов. Эта группа химических элементов используется в инновационных направлениях производства: металлургии, атомной энергетике, медицине, химической и стекольной промышленности и других областях. 

Возможность эффективного промышленного применения редких земель зависит от научных изысканий в этой области. Надежные данные о свойствах РЗМ и их изменениях при фазовых превращениях могут пригодиться в оптимизации высокотехнологичных процессов.

Редкоземельные элементы — металлы серебристо-белого цвета, некоторые с желтоватым оттенком, обладающие сходными химическими свойствами (наиболее характерна степень окисления +3). В природе, как правило, они встречаются в рассеянном виде и в форме оксидов, что осложняет их добычу в промышленных масштабах — отсюда и термин «редкоземельные». В группу РЗЭ входят 15 лантаноидов (лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций), а также иттрий и скандий. Физико-химические свойства этих элементов имеют противоречивые характеристики, поскольку изучены недостаточно.

Сотрудники лаборатории термодинамики веществ и материалов ИТ СО РАН — кандидат физико-математических наук Игорь Васильевич Савченко, аспирант Дмитрий Андреевич Самошкин и студент физического факультета НГУ Андрей Рашидович Хайрулин — получили грант Российского научного фонда на исследование тепло- и температуропроводности расплавов четырех легких РЗМ: лантана, церия, неодима и самария. Проект рассчитан на два года, к настоящему моменту пройдена уже половина пути. По словам ученых, за год удалось провести почти все измерения, впереди — довольно длительный и трудоемкий процесс обработки результатов.

 

Игорь Савченко (слева) и Дмитрий Самошкин на фоне установки LFA-427 

 

«Отслеживать изменение свойств металлов в зависимости от фазовых превращений (перехода из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий, например из твердого вещества в расплав) — очень интересная задача с точки зрения физики и химии, — комментирует Игорь Савченко. — Фазовый переход в жидком самарии, связанный с изменением концентрации электронов проводимости, сам по себе является уникальным явлением, не наблюдающимся в других металлических расплавах». 

По словам ученых, данные по тепло- и температуропроводности легких РЗМ, которые были получены раньше другими исследователями, плохо согласуются между собой. Разброс в измерениях температурных коэффициентов теплопроводности достигает 400 %! Это связано со сложностью высокотемпературного эксперимента и специфическими свойствами РЗМ — химической агрессивностью (в жидком состоянии они взаимодействуют практически со всеми материалами, интенсивное окисление многих из них происходит уже при комнатной температуре), а также высоким давлением паров. 

«Последовательное экспериментальное изучение лантаноидов позволит нам понять, как локализованные электроны внутренней оболочки атомов влияют на макроскопические характеристики РЗМ, а конкретно — на теплопроводность, — рассказывает Игорь Савченко. — Это ключ к решению важнейшей задачи по определению связи электронного строения вещества с его структурой и физическими свойствами в конденсированном состоянии».

В распоряжении ученых — дорогостоящая установка LFA-427 немецкой фирмы NETZSCH. По своим параметрам — точности измерений (2—5 %) и диапазону температур (от 20 °C до 2000 °C) — она является одной из лучших в мире. Поскольку аппаратура такого класса предназначена в основном для измерений твердых веществ, сотрудники лаборатории адаптировали стенд для работы с расплавами и пластичными материалами: разработали конструкции измерительных ячеек и держателей, создали алгоритмы и программы математической обработки данных. В установке реализован метод лазерной вспышки (или флэш-метод). Его главные преимущества — универсальность, бесконтактность и малое время проведения единичного измерения (порядка секунды).

В чем заключается процесс? Металл, находящийся в специальном контейнере, предотвращающем его окисление, помещается в химический бокс с инертной атмосферой. В боксе металл извлекается из контейнера и помещается внутрь танталовой ячейки для опытов, где герметизируется дуговой сваркой. После этого заваренная ячейка с металлом помещается в печь установки LFA, внутри которой и происходят высокотемпературные измерения. Наконец, с помощью пакета программ, разработанного в лаборатории термодинамики веществ и материалов, производится вычисление исследуемых коэффициентов переноса тепла. Хотя единичное измерение занимает меньше секунды, для определения температурной зависимости теплопроводности требуется гораздо больше времени.

 

Ячейка с металлом на держателе, которая помещается в печь для измерения тепловых параметров 

 

«Можно сказать, что эксперименты, проводимые в стенах нашей лаборатории, — уникальные, — говорит Дмитрий Самошкин. — Нам удалось первыми разработать новую методику по исследованию теплопроводности и температуропроводности металлов, проявляющих высокую активность на воздухе, в жидком состоянии. Опыты, проведенные ранее с расплавленными металлами (ртутью, индием, оловом, свинцом) подтвердили надежность результатов, полученных на установке».  

Ученые признают, что их работа по большей части носит фундаментальный характер. Выводы и обобщения представляют интерес прежде всего для теории теплофизических свойств веществ, физики металлов, жидкостей и фазовых превращений. Однако числовой материал может быть использован в расчетах разнообразных тепловых процессов.

Ограничиваться лантаноидами физики не хотят, а стремятся охватить весь спектр металлов, чтобы выявить общие закономерности теплопроводности и температуропроводности. Ими уже получены данные о некоторых свойствах тяжелых РЗМ, в планах — изучение теплофизических свойств щелочных и щелочноземельных металлов. 

«Скорее всего, мы будем подавать заявку на новый грант, чтобы закончить этот ряд, — делятся планами исследователи. — Имея полную информацию о редкоземельных металлах, мы сможем сделать обобщение и создать модель для прогнозирования свойств сплавов и соединений. В этом заключается фундаментальность нашей работы». 

Юлия Клюшникова

Фото автора

Похожие новости

  • 24/08/2018

    Дмитрий Маркович: наш проект нацелен на обеспечение лидерства в области аэрокосмических технологий

     Междисциплинарный исследовательский комплекс аэрогидродинамики, машиностроения и энергетики, который инициирован в рамках проекта «Академгородок 2.0» несколькими ведущими академическими институтами Новосибирского научного центра СО РАН, поможет специалистам решать научные проблемы, связанные со всеми стихиями: воздухом, огнем, землей и водой.
    416
  • 20/02/2016

    Высокая награда: академик Владимир Накоряков награжден орденом «За заслуги перед Отечеством III степени»

    ​Указом президента РФ В.В. Путина N 59 от 15 февраля 2016 года за большой вклад в развитие науки, образования, подготовку квалифицированных специалистов и многолетнюю плодотворную работу орденом «За заслуги перед Отечеством III степени» награжден академик Владимир Елиферьевич Накоряков.
    1973
  • 12/09/2016

    В Новосибирске научились промышленно производить уникальную нанодобавку

    ​Есть технологии, которые обрушивают рынки и в конечном итоге меняют мир, - взять хотя бы сотовую связь и цифровую фотографию. В 2014 году новое слово в материаловедении сказала новосибирская компания OCSiAL - именно здесь была разработана первая в мире промышленная технология синтеза одностенных углеродных нанотрубок.
    1818
  • 14/08/2016

    Всероссийская школа-конференция с международным участием «Химия и физика горения и дисперсных систем»

    ​Организационный комитет Всероссийской школы-конференции «Химия и физика горения и дисперсных систем» приглашает принять участие в конференции, посвящённой 110-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР Александра Алексеевича Ковальского, которая будет проводиться в Новосибирске с 19 по 20 сентября 2016 года в Институте химической кинетики и горения СО РАН.
    1721
  • 04/09/2016

    IV Молодёжная школа «Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике»

    ​С 4 по 8 сентября 2016 г. в новосибирском Академгородке пройдет IV Молодежная школа с международным участием "Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике".
    2333
  • 03/09/2017

    Дмитрий Маркович: Масштабы молодёжи нас устраивают

    ​2017 год стал для Института теплофизики СО РАН годом перемен — здесь впервые за 20 лет сменился директор. Коллектив одного из крупнейших академических институтов энергетического профиля России возглавил доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович.
    1019
  • 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.
    523
  • 22/04/2016

    Об академике Иване Ивановиче Новикове – первом директоре Института теплофизики СО РАН

    В Институте теплофизики СО РАН недавно вспоминали основателя и первого директора Института теплофизики СО АН СССР, а также одного из отцов-основателей Сибирского отделения Академии наук академика Ивана Ивановича Новикова, которому в этом году исполнилось бы 100 лет.
    1527
  • 01/11/2017

    Сибирские ученые в составе международной группы по-новому объяснили левитацию капель над горячими поверхностями

    ​Ученые из Новосибирского госуниверситета, Томского политехнического университета и Южного методистского университета США разработали новую модель для объяснения поведения капель над горячими жидкостями.
    814
  • 26/07/2015

    Академику Накорякову Владимиру Елиферьевичу - 80 лет!

    Владимир Елиферьевич Накоряков родился 26 июля 1935 года в городе Одесса. Окончил Томский политехнический институт. В 1982 - 1985 годах - ректор Новосибирского государственного университета. В 1985-1990 - заместитель председателя Сибирского Отделения РАН.
    883