CC BY
43
УДК 541.49 + 544.171
НОВОЕ НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ - ХИМИЧЕСКАЯ МЕЗОСКОПИКА
1,2 КОДОЛОВ В. И., 2,3тринеева в. в.
1Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
Научно-образовательный центр химической физики и мезоскопии УдНЦ УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Дано обоснование обстоятельств рождения нового научного направления - химической мезоскопики, которая базируется на объединении понятий четырех научных направлений: синергетики, теории фракталов, химии в нанореакторах и мезоскопической физики. Теоретические основы новой науки включают понятия самоорганизации и сопутствующий аппарат химической термодинамики, само подобия с использованием уравнения Мела-Джонсона-Аврами-Колмогорова, химии в нанореакторах с описанием условий формирования наноструктур, мезоскопической физики с теоретическими воззрениями по взаимодействию мезочастиц с окружающей средой. Рассмотрены основные положения и закономерности, отражающие своеобразие нового научного направления.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: химическая мезоскопика, синергетика, самоорганизация, теория фракталов, самоподобие, химия в нанореакторах, межфазные границы, мезоскопическая физика, редокс синтез, транспорт электронов.
ВВЕДЕНИЕ
Рождение нового научного направления (новой науки) - химической мезоскопики, обусловлено развитием четырех научных направлений, которые между собой связаны идеологически и единым объектом исследования - наноразмерными частицами, наносистемами. При этом исследуются такие явления, как интерференция, квантование спектра и квантование заряда. Эти явления возникают при определенных условиях, определенных размером частиц таким образом, чтобы фазовая когерентность была меньше 1000 нм и свобода движения частиц была ограничена только колебательным движением и транспортом через них электронов. Из совокупности понятий и основ, указанных выше научных направлений, формируется новое научное направление - химическая мезоскопика, для которого можно дать следующее определение:
Химическая мезоскопика - это наука, занимающаяся реакционной способностью нано(мезо)частиц и наноразмерных систем с момента их формирования до активного поведения их в средах и материалах. Теоретические основы этой науки дают объяснения особенностям образования наноструктур, в том числе в нанореакторах, и поведения их в сверхмалых количествах в средах и материалах (с изменением структуры и свойств).
Вместе с тем имеют место особенности и ограничения, определенные рамками химической мезоскопики. Можно выделить следующие особенности мезоскопических частиц:
• Мезоскопическая частица, которая является зачастую большой молекулой или группой молекул, находится в активном взаимодействии со средой.
• Размер фазовой когерентности ограничен 1000 нм.
• Имеют место такие явления, как интерференция, квантование спектра и квантование заряда.
• Возможность излучения квантов мезоскопической частицей приводит к поляризации среды за счет активации имеющихся в среде функциональных групп.
В свою очередь, ограничения связаны с уменьшением пространства, в котором зарождается процесс с образованием активированного комплекса. При этом имеют место ограничения в движениях химических частиц - практически исключаются поступательные и вращательные движения, остаются только колебательные свободы и движения электронов. Иначе говоря, создаются условия для образования активированного комплекса соответствующего процесса. При этом для создания определенного активированного комплекса должно установиться геометрическое соответствие ему с формированием соответствующего мультиплета. Согласно мультиплетной теории катализа [1] происходит взаимодействие химических частиц с активными центрами в дефектной области кристаллов. Если адсорбционный потенциал больше или равен полусумме энергий разрушающихся и образующихся связей, то вероятность такого процесса велика. Предлагается [1] оценку энергетических характеристик проводить через полусуммы электроотрицательностей, участвующих во взаимодействии атомов. Поэтому адсорбционный потенциал и энергии разрушающихся и образующихся связей в соответствующей формуле снабжаются индексом, отражающим значение электроотрицательности -
Е
(1)
Е
где qx - адсорбционный потенциал, - полусумма разрушающихся и образующихся
связей.
При использовании полусумм электроотрицательностей систематические ошибки компенсируются. В случае если адсорбционный потенциал меньше полусуммы энергий разрушающихся и образующихся связей, вероятность процесса, протекающего на поверхности кристалла или в его дефектной области с формированием мультиплета, мала.
Таким образом, необходимо установление энергетического и геометрического соответствия будущим продуктам процесса уже при образовании активированного комплекса.
Вышеприведенные ограничения являются необходимым условием получения наноструктур, например, металл/углеродных нанокомпозитов. Ниже приведены основные принципы химической мезоскопики на примере процессов получения металл/углеродных нанокомпозитов и модификации с их помощью полимерных материалов.
ПРИНЦИПЫ ХИМИЧЕСКОЙ МЕЗОСКОПИКИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛ/УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ
Мезоскопическая металлическая частица (кластер металла) может образоваться:
• в разбавленном растворе из ионов металла раствора соли,
• между ламелями или фибриллами полимера из кластеров металлсодержащей фазы,
• на границе раздела фаз (в эмульсиях, в суспензиях или поверхности активированных порошков).
Из перечисленных схем образования нанокластеров металла (мезоскопической частицы) в углеродной оболочке есть опыт синтеза металл/углеродных нанокомпозитов в нанореакторах поливинилового спирта (ПВС), которые формируются в виде спиралевидных макромолекул в разбавленных водных растворах [2 - 5].
При насыщении ионами металлов нанореакторов ПВС изменяются потенциалы ветвей «спирали» и возникшая разность потенциалов стимулирует транспорт электронов к металлическим ионам и их частичное восстановление.
В свою очередь этот процесс «допускает» процесс частичного окисления углеводородной части макромолекулы. Поэтому на картинах просвечивающей оптической микроскопии ксерогелей, наряду с цветными рефлексами, видны темные (почти черные) границы нанореакторов (рис. 1).
Рис. 1. Изображение нанореакторов, заполненных медьсодержащей фазой, полученное с помощью оптической просвечивающей микроскопии
Данные атомной силовой микроскопии позволяют определить размеры нанореакторов и металлических кластеров, заполняющих нанореакторы. С допустимой погрешностью можно спрогнозировать форму и размеры получаемых после термохимической стадии синтеза металл/углеродных нанокомпозитов.
При использовании этого метода для медьсодержащих нанореакторов получена следующая картина: есть полосы (штрихи) и сростки штрихов, вытянутые по оси ординат, длиной от 28 до 600 нм, по оси абсцисс эти штрихи имеют размер от 9 до 108 нм («сростки» до 10 наночастиц); в поле 1 мкм среднее число наночастиц соответствует 70, из них примерно 80 % крупных «сростков» (средний размер по оси ординат - 200 нм, по оси абсцисс - до 10 нм).
Исследование методом АСМ никельсодержащих нанореакторов привело к следующим результатам: на АСМ картине виды «пятна» и «штрихи»; в поле 1 мкм находится примерно 60 наночастиц, из которых приблизительно 70 % имеет размер от 5 до 40 нм; ориентация наночастиц в большей степени по оси у, максимальный размер штрихов по этой оси 200 нм, есть «сростки» («слипшиеся» 8 - 10 наночастиц).
Другой вариант создания наноструктур заключается в механохимическом взаимодействии фаз [6]. В этих случаях всегда происходит измельчение веществ, и процесс сопровождается нагревом перетираемой массы смеси. Затрачиваемая работа включает (по меньшей мере) работу на измельчение (перетирание), нагрев массы и химические процессы реагентов массы. Собственно измельчение является тоже химическим процессом, поскольку связано с разрушением химических связей при нарушении целостности исходного материала. Энергия, необходимая для измельчения, зависит от мощности размольного устройства, физико-механических свойств разрушаемого твердого материала (предел прочности, модуль упругости), геометрических параметров разрушаемого куска твердого материала (объем, линейный размер), степени измельчения и способа измельчения.
В нашем случае, один из реагентов представлял собой твердый порошок оксидного соединения металла с дисперсностью не более 0,3 мкм, а другой реагент - вязкая или гелеподобная масса на основе поливинилового спирта и воды. При совместном перетирании в механической агатовой ступке в течение 3 мин температура массы повышалась до 60 - 80 °С, что способствует частичному испарению воды, поэтому полученный гель высушивался при комнатной температуре. Отмечено изменение цвета массы (оттенка), что свидетельствует о процессе координации. Подтвердить этот процесс можно, исследуя ИК спектр ксерогеля. АСМ позволила определить размеры металлсодержащей фазы в нанореакторах и выявила отличия в результатах получения металл/углеродных нанокомпозитов из растворов и путем механохимической интеркаляции.
Особенности формы металлсодержащей фазы, полученной двумя методами, можно объяснить тем, что в первом случае металлсодержащая фаза формируется из ионов металла, а во втором случае происходит взаимодействие кластера металлоксидной фазы кубической формы с ламелями поливинилового спирта. Схема взаимодействия ламелей с образующейся в процессе перетирания мезоскопической частицей (наночастицей) похожа на объяснение, приведенное для рассмотренного ранее метода.
При втирании частиц оксида металла размером 0,3 мкм в массу ПВС ламеллярного строения создаются предпосылки для использования основных принципов нанохимии и мезоскопической физики для синтеза наноструктур в нанореакторах полимерной матрицы. Основные условия: уменьшение размеров частиц металлсодержащей фазы до размеров кристаллической решетки (кубической решетки) и снижение возможностей движения химических частиц за счет их координации с функциональными группами стенок нанореакторов. Объемы колебаний таких кластеров составляют: для оксида меди - максимум 0,4 нм3 при линейном размере ребра - 0,75 нм; для оксида никеля соответственно 0,35 нм3 при линейном размере ребра - 0,7 нм. По сути, возникает классическая картина [7] процесса: мезоскопическая частица может только колебаться и проводить через себя электроны, взаимодействуя со стенками нанореактора, т.е. готова к окислительно-восстановительному процессу. Измельчение облегчается взаимодействиями в наиболее дефектной области геля ПВС, в которой есть ацетатные группы. При этом превалирует координация металла металлсодержащей фазы с карбонилом ацетатной группы. Наличие воды стимулирует отрыв ацетатной группы от углеводородной цепочки с образованием активных центров. Эти взаимодействия приводят к существенному изменению ИК спектра по сравнению со спектром поливинилового спирта, которое заключается в следующем:
во-первых, в ИК спектре ПВС с нанореакторами, заполненными металлсодержащей фазой, происходит изменение волновых чисел;
во-вторых, изменяются интенсивности соответствующих полос в спектрах, и наблюдается появление новых линий.
Сравнительный анализ картин фазового контраста, полученных при исследовании ксерогелей при взаимодействии растворов солей металлов с раствором ПВС и при механохимической интеркаляции тонкодисперсных порошков оксидов металлов с гелеподобным ПВС показал следующее:
На картине АСМ медьсодержащего нанореактора видны «пятна» и «штрихи», которые преимущественно ориентированы по оси абсцисс. Среднее число наночастиц в 1 мкм2 - 90, из них с размером 15 - 20 нм приблизительно 75 %.
На АСМ картине никельсодержащего нанореактора наблюдаются ориентированные по оси у «штрихи» и «сростки» размером от 10 нм до 500 нм («сростки» до 2 мкм), по оси х размеры наночастиц меняются от 10 до 70 нм («сростки»). В 1 мкм2 отмечено среднее количество наночастиц - 60, из которых примерно 60 % в пределах 10 нм (по оси х) и 100 нм (по оси у).
Таким образом, по результатам АСМ можно отметить, что нанореакторы, заполненные металлсодержащей фазой, близки по форме, ориентации и размерам, независимо от того, получены они из растворов или с помощью механохимической интеркаляции.
Энергии, затраченной при механохимической интеркаляции, вполне достаточно для протекания окислительно-восстановительной реакции.
Из предыдущего следует, что в ксерогеле после механохимической интеркаляции сформировались «заготовки» будущих нанокомпозитов. Поэтому представляет интерес для описания данного процесса использовать уравнение Аврами-Колмогорова -
Ж = 1 - ехр (- ктп), (2)
где Ж - количество образующегося продукта, к - кинетический коэффициент процесса, т - время протекания процесса, п - фрактальная размерность, отражающая возможность протекания процесса по одномерной, двумерной или трехмерной схеме.
1 - Ж = ехр
-т ехр-
(4)
При этом полагаем, что в ходе интеркаляции протекает восстановление оксида меди до оксида одновалентной меди. Тогда в уравнении Аврами-Колмогорова для определения кинетического коэффициента запишем -
к = ехр (3)
где 2 принят равным 1; Е - число Фарадея, 26,81 А-час/моль; Дф - электродный потенциал процесса равен +0,153 В; Т - температура, равная 373 К; Я - газовая постоянная, 2,31 Вт моль/час град.
При подстановке значений для к в уравнение Аврами-Колмогорова получим следующее выражение -
ЯТ
где Ж - количество полученного продукта (в % от исходного металлсодержащего вещества), т - продолжительность процесса, п - фрактальная размерность для одномерного процесса, равная 1, заменим Е и Я на соотношение Е/Я.
Если задать степень превращения, то можно определить параметры процесса: время, температуру, электродный потенциал. Для того, чтобы получить 95 % превращения двухвалентной меди в одновалентную медь, по расчету продолжительность процесса механохимической интеркаляции получилась равной 3 минутам, что соответствует экспериментальным данным [8].
В результате осуществления механохимического способа получены нанокомпозиты, содержащие медь, железо, никель и кобальт, обладающие высокими магнитными характеристиками. Производство нанокомпозитов осуществляется в две стадии: механохимической и термохимической. С помощью уравнения Колмогорова определены параметры механохимической стадии. Установлена оптимальная температура термохимической стадии (не более 410 °С).
Медь/углеродный нанокомпозит представляет собой в основном кластеры меди [9] в оболочках, образованных углеродными волокнами, ассоциированных с кластерами меди (рис. 2).
Рис. 2. Изображение структуры медь/углеродного композита, полученное ПЭМ высокого разрешения
Согласно проведенным исследованиям углеродные волокна представляют собой цепочки углеродных атомов, соединенных двойными связями, включающих полиеновые и карбиновые фрагменты. Нанокристаллы меди кубической формы или додекаэдры ассоциированы с трехслойным покрытием из волокон. Согласно ЭПР спектрам на углеродной оболочке находятся неспаренные электроны. Атомный магнитный момент меди составляет 1,3 магнетон Бора. Аналогичные исследования проведены для всех производимых нанопродуктов.
МОДИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИЙ И МАТЕРИАЛОВ С ПОЗИЦИЙ ХИМИЧЕСКОЙ МЕЗОСКОПИКИ
При достижении нанометровых размеров частиц возрастает вероятность таких явлений, как интерференция, квантование спектра, квантование заряда при ограничении движения частиц, когда имеют место только колебания частиц и транспорт электронов через них. Изменение свойств сред и композиций под влиянием наночастиц достигается при распределении их по объему композиции при отсутствии коагуляции. Это возможно при выполнении следующих условий:
• при определенных поляризуемости и диэлектрической постоянной среды (композиции);
• при сверхмалых концентрациях (количествах) наночастиц в средах (композициях);
• при равномерном распределении наночастиц в среда при ультразвуковом диспергировании.
При выполнении этих условий достигается самоорганизация матриц (сред, композиций) в необходимом направлении. Определение возникшей доли организованной фазы производится с помощью уравнения Аврами-Колмогорова (2).
Изучение реакционной способности наноструктур и наносистем относится к одному из направлений химической мезоскопики. Реакционная способность металл/углеродных нанокомпозитов исследовалась в процессах их взаимодействия с различными веществами и средами. Такому взаимодействию способствуют наличие неспаренных электронов и ненасыщенных связей в углеродной оболочке нанокомпозитов. Это подтверждается взаимодействием полученных металл/углеродных нанокомпозитов с веществами, содержащими атомы кремния, фосфора и серы с высокими степенями окисления. В ходе взаимодействия происходит восстановление соответствующих элементов (снижение степени окисления, в ряде случаев до нуля), которое сопровождается ростом атомного магнитного момента металлов в нанокомпозитах и увеличением их поляризующего действия на среды. Например, после введения в оболочку медь/углеродного нанокомпозита кремния свойства его изменились следующим образом:
• Атомный магнитный момент меди вырос до 3 магнетонов Бора.
• Антиоксидантная активность увеличилась в 11 раз.
• Динамическая вязкость жидкого стекла при содержании 0,001 % нанокомпозита, содержащего кремния, увеличилась на 21 %.
Эти экспериментальные результаты указывают на возможность взаимодействия полученных нанокомпозитов с активными веществами и средами, включая полимерные композиции.
Иллюстрацией влияния на среды металл/углеродных нанокомпозитов является изменение ИК спектров суспензий, полученных на их основе, в сравнении с ИК спектрами немодифицированных жидкостей.
При квантовании заряда, распространяющегося от наноструктуры, происходит изменение поляризации функциональных групп и дипольных моментов молекул в средах, что ведет к изменению экстинции и интенсивности полос в спектрах. В этом случае имеет место превалирование колебательного движения отдельных групп и фрагментов в молекулах по сравнению с вращательным движением. Поэтому оценка эффективности наноструктур (нанокомпозитов) по ИК спектрам возможна при сравнении соотношений интенсивности полос (пиков) к их полуширине [10]. Такой параметр [1/(а/2)] обоснован анализом уравнения Герцберга - Кондратьева -
V = н + Е[.ГУ + 1) - 3(3 + 1)], (5)
где V - волновое число, н - колебательная доля, В - вращательная доля, 3 и 3 -вращательные квантовые числа.
Увеличение по отношению ко второму слагаемому свидетельствует о росте колебательной составляющей. С уменьшением содержания нанокомпозитов в среде растет
колебательная составляющая и соотношение 1 . В таблице приведены интенсивности
а/2
полос в ИК спектре отвердителя эпоксидной смолы (изометил тетрагидрофталевого ангидрида), модифицированного медь/углеродным нанокомпозитом при изменении концентрации от 1 до 0,001 % по отношению к интенсивности немодифицированного отвердителя (/0).
Таблица
Характеристические частоты и соотношение их интенсивностей при различной концентрации металл/ углеродного нанокомпозита
N -1 v, см I1/I© I0,01/I© I0,001/I© Отнесение
1 1050 1,235 1,411 1,686 С-О-С st
2 1450 1,179 1,590 1,744 C-H
3 1776 1,458 1,347 1,691 C=O st as
4 1844 1,463 1,412 1,678 C=O st sy
5 2860-3090 1,182 1,545 1,750 C-H
Как следует из данных таблицы, наибольшие значения соотношений достигаются при концентрации нанокомпозита 0,001 %, что согласуется с принципами химической мезоскопики.
Квантование заряда (электрона) должно привести к изменению электронной структуры макромолекулы и, как следствие, к изменению надмолекулярных структур полимерных веществ. Поэтому были приготовлены специальные пленочные наноструктурированные материалы на основе таких функциональных полимеров, как поливиниловый спирт, полиметилметакрилат и поликарбонат, содержащих медь/ или никель/углеродные нанокомпозиты в сверхмалых количествах (от 10-1 до 10-5 %). Полученные пленки исследованы с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и атомной силовой микроскопии (АСМ) [11]. При исследовании пленок методом РФЭС электронной структуры пленок установлено, что наибольшие изменения в электронной структуре при сверхмалых количествах нанокомпозита претерпели пленки из поликарбоната, поскольку эти пленки имеют наибольшую поляризуемость из выбранных для исследования полимеров. Ниже представлены в сравнении спектры C1s медь/углеродного нанокомпозита (Cu/C НК) и наноструктурированного с помощью этого нанокомпозита поликарбоната (рис. 3).
2 3
Определение сателлитов sp и sp дало возможность провести разложение спектра C1s для соответствующего нанокомпозита и спектров наноструктурированных пленок поликарбоната. По результатам разложения C1s спектров поликарбоната можно увидеть, что, начиная с концентрации 10-2 % Cu/C НК, в спектрах пленок появляются пики,
23
соответствующие пикам, характерным для sp и sp гибридизации углерода. Иначе говоря, появляется «отпечаток» нанокомпозита, используемого для модификации полимера. Такой «отпечаток» наблюдается и при содержании нанокомпозита 10° % в пленке поликарбоната. При этом изменяется соотношение между пиками. При концентрации НК от 0,01 до 0,001 %
2 3 4
интенсивность пика, соответствующего sp2 выше sp3 гибридизации углерода, при 10-4 % эти пики близки по интенсивности, при 10-5 % интенсивность пика, соответствующего sp3 гибридизации, становится выше sp2. Можно предполагать, что самоорганизация структуры полимера с уменьшением концентрации до сверхмалых значений приобретает пространственный характер.
Энергия связи, эВ
А Б
Рис. 3. Рентгеноэлектронный С1з спектр Си/С НК (А) и С1з спектр поликарбоната (Б)
А - С^-спектр медь/углеродных наночастиц, состоящий из трех составляющих: а) С-С ^р2) - 284 эВ; Ь) С-Н - 285 эВ; с) С-С^р3)-286,2 эВ и сателлитная структура ф сателлит ^р2); е) сателлит (sp3) Б - Рентгеноэлектронный С^ спектр поликарбоната, модифицированного медь/углеродными нанокомпозитами в количестве: 10-5, 10-4, 10-3, 10-2, 10-1 % от массы полимера и контрольного образца
В связи с этим возникает вопрос, как меняется при изменении электронной структуры надмолекулярная структура полимера и структура поверхности пленки. Для решения этого вопроса был использован метод атомной силовой микроскопии. Ниже приведены изображения поверхности наноструктурированных пленок поликарбоната, модифицированных медь/углеродным нанокомпозитом в сверхмалых количествах (от 10-1 до 10-4 %) (рис. 4).
Из представленных АСМ изображений (рис. 4) видно, что при концентрации
10-4 %
нанокомпозита в пленке наноструктурированного поликарбоната резко меняется структура поверхностного слоя с переходом от двумерного к трехмерному процессу распространения ориентации надмолекулярных структур. Это совпадает с результатами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии - рост интенсивности пика sp3, соответствующего пространственной ориентации электронной оболочки, по сравнению пиком sp2, характерного для соответствующего уровня гибридизации. Представляет интерес сопоставление направленности углеродных волокон в оболочке металл/углеродного нанокомпозита с направлением ориентации надмолекулярных структур в поверхностном слое наноструктурированного поликарбоната. Вполне вероятно, что волна, инициирующая самоорганизацию в полимерной композиции, распространяется от этих ассоциированных с кластером металла волокон и приводит к соответствующей ориентации надмолекулярных структур в поверхностном слое наноструктурированного композита.
Рис. 4. АСМ изображение поверхности наноструктурированных пленок поликарбоната: А - 0,1 % Си/С НК; Б - 0, 01 % Си/С НК; В - 0, 001 % Си/С НК; Г - 0, 0001 % Си/С НК
Таким образом, механизм самоорганизации структуры полимерных композиций сверхмалыми количествами металл/углеродных нанокомпозитов заключается в том, что с помощью нанокомпозита создаются условия для поляризации композиции, которая приводит к существенному изменению электронной и надмолекулярной структур материалов. Естественно, что эти изменения в свою очередь влияют на свойства модифицированных материалов. В подтверждение сказанному в следующем разделе приведены примеры изменения свойств ряда полимерных материалов, модифицированных металл/углеродными нанокомпозитами [12].
Для поликарбоната, модифицированного за счет введения 0,01 % медь/углеродного нанокомпозита, наблюдается уменьшение теплопроводности в 1,5 раза и увеличение светопропускания в области 400 - 500 нм.
Отмечено, что наноструктурированная пленка поливинилхлорида, содержащая всего 0,0008 % нанокомпозита, имеет улучшенные электростатические характеристики.
Интересные результаты получены при введении сверхмалых количеств (от 1 до 310-4 %) медь и никель/углеродных нанокомпозитов в клеи на основе эпоксидной смолы, в том числе электропроводящие клеи. Для последних, содержащих микронные порошки серебра и до 0,001 % никель/углеродного нанокомпозита, адгезионная прочность увеличивается на 30%, а электросопротивление уменьшается в десять раз.
Отмечено, что модификация эпоксидных компаундов введением в них 0,005 % нанокомпозита приводит к росту термостабильности на 75 - 100 °C.
Получен положительный результат (увеличение прочности на 32,3 %) при модификации стеклопластиков (замасливателей) с помощью 0,02 % Cu/C нанокомпозита.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Объединение четырех научных направлений таких, как синергетика, теория фракталов, химия в нанореакторах и мезоскопическая физика (мезоскопика), привело к рождению новой науки - химической мезоскопики. Развитие химической мезоскопики предполагает создание теории образования наносистем, а также определение механизма действия наночастиц (нанокомпозитов) на среды и композиции. При развитии этой науки будет дан импульс поиску и созданию новых методов исследования процессов и свойств новых химических систем, материалов и технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булгаков В. К., Кодолов В. И., Липанов А. М. Моделирование горения полимерных материалов. М.: Химия, 1990. 238 с.
2. Кодолов В. И., Дидик А. А., Волков А. Ю., Волкова Е. Г. Способ получения металлсодержащих углеродных наноструктур из органического соединения с добавками неорганических солей // Патент РФ № 2221744, 2004.
3. Кодолов В. И., Дидик А. А., Шайахметова Э. Ш., Кузнецов А. П., Волков А. Ю., Волкова Е. Г. Способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур из ароматических углеводородов // Патент РФ № 2223218, 2004.
4. Кодолов В. И., Николаева О. А., Захарова Г. С., Шайахметова Э. Ш., Волкова Е. Г., Волков А. Ю., Макарова Л. Г. Способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур // Патент РФ № 2225835, 2004.
5. Kodolov V. I., Trineeva V. V., Blagodatskikh I. I., Vasil'chenko Yu. M., Vakhrushina M. A., Bondar A. Yu. The nanostructures obtaining and the synthesis of metal/carbon nanocomposites in nanoreactors // In Book: Nanostructure, Nanosystems, and Nanostructured Materials. Theory, Production and Development. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2013. pp. 101-145.
6. Тринеева В. В. Технология получения металл/углеродных нанокомпозитов и применение их для модификации полимерных материалов. Автореф. дис. доктора техн. наук. Ижевск, 2015. 41 с.
7. Москалец М. В. Основы мезоскопической физики. Харьков: НТУ ХПИ, 2010. 180 с.
8. Kodolov V. I., Trineeva V. V., Vasil'chenko Yu. M. The calculating experiments for metal/carbon nanocomposites synthesis in polymeric matrices with the application of Avrami equations // In Book: Nanostructures, nanomaterials and nanotechnologies to nanoindustry. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2015. pp. 105-118.
9. Trineeva V. V., Kodolov V. I. Redox synthesis of metal/carbon nanocomposites in nanoreactors of polymeric matrices // In Book: Applied Nanotechnology. Materials and applications. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2016. pp. 15-44.
10. Кодолов В. И., Тринеева В. В. Как мезоскопическая физика объясняет редокс-синтез металл/углеродных нанокомпозитов в нанореакторах функциональных полимеров // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17, № 4. С. 580-587.
11. Trapeznikov V. A., Shabanova I. N., Kodolov V. I., Terebova N. S., Kholzakov A. V., Menshikov I. V., Chausov F. F., Naimushina E. A. Review: Application of unique x-ray electron magnetic spectrometers for the investigation and chemical analysis of the electronic structure of the ultrathin surface layers of systems in liquid and solid state // In Book: Applied Nanotechnology. Materials and applications. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2016. pp. 115-172.
12. Липанов А. М., Кодолов В. И., Мельников Я. М., Тринеева В. В., Пергушов В. И. Влияние сверх малых количеств металл/углеродных нанокомпозитов на свойства полимерных материалов // Доклады академии наук, 2016. Т. 466, № 1. С. 45-47.
NEW SCIENTIFIC TREND. CHEMICAL MESOSCOPICS
1'2Kodolov V. I., 2'3Trineeva V. V.
1Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
2High Educational Center of Chemical Physics and Mesoskopy, Udmurt Scientific Center, UB RAS, Izhevsk, Russia
3Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The definition and theoretical fundamentals of new scientific trend - chemical mesoscopics are given and considered on the example of nanostructure new class - metal/ carbon nanocomposites. This new synthetic science includes synergetic, fractal theory, chemistry within nanoreactors and mesoscopic physics. Everyone from these scientific trends consider the objects of nano sized level (0,1-1000 nm) and investigates near phenomena such as interference, spectra quantization and charge quantization. These phenomena take place at definite conditions (size of phase coherence must be less than 1000 nm). The definition of chemical mesoscopics is possible as - Chemical Mesoscopics is scientific trend (new science) concerning to the formation of nanostructures including the synthesis within nanoreactors as well as the behavior these nanostructures in different media and compositions. Theoretical fundamentals of this new science give the explanations for peculiarities of processes within nanoreactors and also the influence of nanostructures minute quantities on media and compositions. The restrictions for processes defined by the limits of Chemical Mesoscopics are concluded in following: The mesoscopic particle which may be presented as big molecule or the linked molecules group is found in the active interaction with medium; In this case the size of phase coherency is located in limits up to 1000 nm; Then the phenomena such as interference, spectrum quantization and charge quantization are appeared; In other words, there is the source of quant radiation which activate the certain functional (active) groups in medium is formed when nanosized particles and also confined space take place. The theoretical and experimental methods for the processes direction prognosis as well as for the chemical systems reactivity estimation are discussed. The hypothesis of mesoscopic metal containing cluster creation at mechanic-chemical formation of metal/carbon nanocomposites is proposed. The electron structures of carbon shells for metal obtained clusters are determined. The metal nature influence of metallic phase cluster on the carbon shell is shown. The changes of media electron structure are possible under the nanocomposites minute quantities influence that it is confirmed by the X-ray photoelectron spectroscopic investigations and also is explained by the Chemical Mesoscopics principles. It's shown that the orientation processes, in which mesoscopic particles (nanocomposites) participate, lead to the changes of sub molecular structures of polymeric compositions.
KEYWORDS: chemical mesoscopics, synergetics, self organization, fractal theory, self similarity, chemistry within nanoreactors, interface boundary, mesoscopic physics, redox synthesis, electron transition.
REFERENCES
1. Bulgakov V. K., Kodolov V. I., Lipanov A. M. Modelirovanie goreniyapolimernykh materialov [Modeling of polymeric materials combustion]. Moscow: Khimiya Publ., 1990. 238 p.
2. Kodolov V. I., Didik A. A., Volkov A. Yu., Volkova E. G. Sposob polucheniya metallsoderzhashchikh uglerodnykh nanostruktur iz organicheskogo soedineniya s dobavkami neorganicheskikh soley [The metal containing carbon nanostructures obtaining method from organic compound with unorganic salts additives]. Patent RU 2221744, 2004.
3. Kodolov V. I., Didik A. A., Shayakhmetova E. Sh., Kuznetsov A. P., Volkov A. u., Volkova E. G. Sposob polucheniya uglerodnykh metallsoderzhashchikh nanostruktur iz aromaticheskikh uglevodorodov [The carbon metal containing nanostructures obtaining method from aromatic hydrocarbonsy. Patent RU 2223218, 2004.
4. Kodolov V. I., Nikolaeva O. A., Zakharova G. S., Shayakhmetova E. Sh., Volkova E. G., Volkov A. Yu., Makarova L. G. Sposob polucheniya uglerodnykh metallsoderzhashchikh nanostruktur [The carbon metal containing nanostructures obtaining method]. Patent RU 2225835, 2004.
5. Kodolov V. I., Trineeva V. V., Blagodatskikh I. I., Vasil'chenko Yu. M., Vakhrushina M. A., Bondar A. Yu. The nanostructures obtaining and the synthesis of metal/carbon nanocomposites in nanoreactors. In Book: Nanostructure, Nanosystems, and Nanostructured Materials. Theory, Production and Development. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2013. pp. 101-145.
6. Trineeva V. V. Tekhnologiya polucheniya metal-uglerodnykh nanokompozitov i primenenie ikh dlya modifikatsii polimernykh materialov [Technology of metal-carbon nanocomposites and their application for the modification of polymeric materials]. Izhevsk, 2015. 41 p.
7. Moskalets M. V. Osnovy mezoskopicheskoy fiziki [Fundamentals of mesoscopic physics.]. Kharkiv: NTU KhPI Publ., 2010. 180 p.
8. Kodolov V. I., Trineeva V. V., Vasil'chenko Yu. M. The calculating experiments for metal/carbon nanocomposites synthesis in polymeric matrices with the application of Avrami equations. In Book: Nanostructures, nanomaterials andnanotechnologies to nanoindustry. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2015. pp. 105-118.
9. Trineeva V. V., Kodolov V. I. Redox synthesis of metal/carbon nanocomposites in nanoreactors of polymeric matrices // In Book: AppliedNanotechnology. Materials and applications. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2016. pp. 15-44. https://doi.org/10.1201/9781315366333-3
10. Kodolov V. I., Trineeva V. V. Kak mezoskopicheskaya fizika ob"yasnyaet redoks sintez metal-uglerodnykh nanokompozitov v nanoreaktorakh funktsional'nykh polimerov [How mesoscopic physics explains the redox synthesis within nanoreactors of polyfuncthional polymers]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and mezoskopiya], 2015, vol. 17, no. 4, pp. 580-587.
11. Trapeznikov V. A., Shabanova I. N., Kodolov V. I., Terebova N. S., Kholzakov A. V., Menshikov I. V., Chausov F. F., Naimushina E. A. Review: Application of unique x-ray electron magnetic spectrometers for the investigation and chemical analysis of the electronic structure of the ultrathin surface layers of systems in liquid and solid state // In Book: Applied Nanotechnology. Materials and applications. Toronto-New Jersey: Apple Academic Press, 2016. pp. 115-172. https://doi.org/10.1201/9781315366333-10
12. Lipanov A. M., Kodolov V. I., Melnikov M. Y., Pergushov V. I., Trineeva V. V. Effect of small amounts of metal/carbon nanocomposites on the properties of polymer materials. Doklady Chemistry, 2016, vol. 466, no. 1, pp. 15-17. https://doi.org/10.1134/S0012500816010018
Кодолов Владимир Иванович, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой ИжГТУ, тел. (3412)58-24-39; e-mail: kodol@istu. ru
Тринеева Вера Владимировна, доктор технических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. 8(906)88174499; e-mail: vera_kodolova@mail ru
