Коллоидная химия – дама капризная и непредсказуемая

Коллоидная химия – дама капризная и непредсказуемая

Коллоидная химия – наука о дисперсных системах – самая капризная и непредсказуемая дама среди своих подруг по ремеслу. Тем она и привлекательна. В свое время Оствальд назвал миром обойденных величин то, чем она занимается. Сегодня же, после того как предмет ее внимания стал именоваться "нанотехнологией", нет отбоя от желающих выказать свою близость к ней. Однако, по существу дела.

Прикладная задача науки о коллоидах заключается в придании требуемых технологических или функциональных свойств дисперсным системам, разного назначения и состава. Некоторые из них используются как компонент или промежуточный продукт технологического процесса (например, порошки, шликеры для формования керамических изделий) или как конечный продукт (краска, лекарственный препарат и т. д.). Любая научная дисциплина приобретает право на самостоятельное существование, если она имеет уникальные объекты, теоретические и экспериментальные средства манипулирования этими объектами. Принципиальное отличие типичных химических технологий от технологии дисперсных систем кроется в ряде фундаментальных отличий законов взаимодействия атомов или молекул между собой и законов взаимодействия нано - или микрочастиц, образованных из тех же атомов. На атомно-молекулярном уровне параметры взаимодействия предопределены химической природой атома или молекулы. Химическое взаимодействие в большой мере избирательно (что-то с чем-то реагирует при данных условиях, а с чем-то не реагирует), оно насыщаемо (атом кислорода присоединяет не более двух атомов водорода, образуя воду), оно соединяет атомы в четко определенном соотношении (один атом кислорода на два водорода), химическая связь имеет определенную пространственную направленность, задавая тем самым геометрию молекул и, наконец, сами атомы или молекулы монодисперсны и мономорфны (все молекулы воды имеют одинаковый размер и форму). Все эти черты напрочь отсутствуют у коллоидных нано - и микрочастиц. Воля технолога, а не химическая природа частиц определяет законы их взаимодействия, включая структуру продукта, пропорции соединения, размеры, форму частиц и прочие параметры дисперсной системы. Так что коллоидная химия это наука для тех, кто хочет почувствовать себя творцом законов взаимодействия.

Современные технологии располагают методами регулирования пропорций коллоидных «реагентов» и размера частиц, в том числе полидисперсности. Что же касается законов взаимодействия частиц, то успехи здесь фрагментарны. Если говорить только о количественных закономерностях, то высшим достижением коллоидной науки в этом плане считалась знаменитая теория устойчивости коллоидов ДЛФО. Некоторые соавторы этой теории (Ф. и О.) подчеркивают, что это теория лиофобных коллоидов. Многочисленные эксперименты указывают на наличие отклонений от теории, в том числе в виде проявления лиофильности, которая деликатно по отношению к уважаемой теории «объясняется» наличием «аномальных» свойств поверхностного слоя дисперсных частиц. Серия работ кафедры раскрыла природу этой «аномалии», модернизировав теорию ЛДФО в универсальный инструмент анализа устойчивости дисперсных систем. Решающую роль в этом сыграл учет в теории фактического несовпадения плоскости локализации поверхностного заряда с межфазной границей.

В теории взаимодействия коллоидных частиц ведущая роль принадлежит двойному электрическому слою (ДЭС) на поверхности частиц. Он так же определяет ряд фундаментальных свойств межфазных границ: ионообменную емкость, электрическую емкость полупроводниковых переходов и электролитических конденсаторов, электрокинетический потенциал и т. д. Главным теоретическим инструментов в анализе и регулировании электрических свойств и явлений на межфазных границах считается теория Штерна. Ее можно обозначить как теорию мономолекулярной адсорбции Ленгмюра, приспособленную к описанию адсорбции ионов на заряженной поверхности. Известна внутренняя противоречивость теории Штерна, которая отчасти унаследована от определенных изъянов теории Ленгмюра. Практически это сказывается на искажении значений констант адсорбционного равновесия при малых потенциалах поверхности, на искажении зависимостей емкости ДЭС от электрического потенциала поверхности при больших потенциалах и на других результатах. Итогом проведенных на кафедре исследований явилось устранение принципиального недостатка теории Штерна – ее противоречивости и вывод уравнений, дающих более детальное и корректное описание емкости ДЭС. Для этого в теории ДЭС потребовалось ввести различные плоскости локализации противоионов и коионов и подвергнуть ревизии некоторые исходные положения теории мономолекулярной адсорбции Ленгмюра: разграничить понятия элементарного акта адсорбции и просто столкновения молекулы (атома, иона) с поверхностью адсорбента и ввести соответствующий количественный параметр в теорию адсорбции.

При всей важности теории взаимодействия частиц она сама по себе мало что дает для технологии. Ее полезность в практическом плане ограничивается помощью в подборе коагуляторов и стабилизаторов. Дело в том, что теория касается только парного взаимодействия частиц, реализуемого в сильно разбавленных по дисперсной фазе системах. Практический же интерес представляют в основном концентрированные дисперсные системы, где взаимодействия частиц носят коллективный характер. Его количественное описание невозможно без привлечения понятия структуры системы – характера взаимного расположения частиц (например, числа ближайших соседей у частицы). Экспериментальное и теоретическое изучение структуры и процессов структурирования дисперсных систем традиционно составляет значимую часть научного направления кафедры. Здесь получены результаты, позволившие перейти к количественному описанию коагуляционной структуры дисперсных систем, кинетики структурирования, реологии дисперсных систем на основе их фрактальной модели. В основу количественного описания структуры и реологических свойств высококонцентрированных (дилатантных) систем положено введение нового параметра их состояния – концентрации вакантных узлов периодической структуры.

Детальное описание коагуляционного структурирования стало возможным благодаря решению модернизированных уравнений кинетики коагуляции Смолуховского. Модернизация коснулась замены констант скорости коагуляции функциями, зависящими от текущего состояния коагулирующей системы. Раскрыть эти функции удалось благодаря упомянутому выше созданию фрактальной модели коагулирующих дисперсных систем. Одним из результатов этой теории явилась возможность предсказания конечного состояния коагулирующей системы. В упрощенном виде этот результат используется в аудиторных занятиях со студентами. Общий результат заключается в том, что область применения уравнений кинетики коагуляции с переменными коэффициентами теперь распространяется на произвольно большие времена от начала процесса. Классические же уравнения Смолуховского фактически пригодны только для описания начальной стадии коагуляции – пока доминируют столкновения исходных монодисперсных частиц. С полной очевидностью это выясняется, если поставить вопрос: когда и чем может завершиться процесс коагуляции, что будет представлять собой взвесь частиц по завершении этого процесса. В рамках классической теории ответ на этот важный для технологии вопрос невозможен. Сейчас же такая возможность появилась, причем описание состояния системы и в любой момент времени, и по завершению процесса может быть получено с любой степенью детализации.

Реологические свойства дисперсных систем, по сути, предопределяют выбор технологии их дальнейшей переработки: будет это литье, прессование, резание или что-то иное. Иногда делается наоборот: сначала приобретается технологическое оборудование, а затем под него доводятся до подходящей кондиции реологические свойства перерабатываемого продукта. В любом случае необходимо располагать знаниями о взаимосвязи рецептуры и реологических свойств перерабатываемого продукта. Последние достаточно полно характеризуются вязкостью той или иной смеси.

Со времен в основе теоретической реологии лежит постулат: вязкость определяется структурой системы, причиной любых изменений вязкости (при постоянстве состава и температуры) является изменение структуры. Однако, вплоть до начала шестидесятых годов прошлого столетия этот постулат лишь декларировался, но не использовался как рабочий инструмент теории. Причин такого положения в том, что не существовало количественных критериев описания структуры, а тем более ее зависимости от условий деформирования. Исследования кафедры коллоидной химии вывели реологическую науку на иной, более высокий уровень. Принципиальное значение имело при этом введение количественных характеристик структуры, а затем и уравнений структурного состояния дисперсных систем. Это дало возможность сформулировать универсальный алгоритм решения задач теоретической реологии: для установления закона, которому подчиняется процесс деформирования системы, сначала необходимо найти адекватное уравнение ее структурного состояния (описание зависимости структуры от напряжения или скорости деформации) после чего можно приступать к вычислению дополнительного сопротивления, создаваемого структурными фрагментами системы при ее деформировании. Алгоритм был первоначально отработан (с участием аспиранта ) на магнитных суспензиях – было выведено уравнение Шведова-Бингама, считавшееся до той поры эмпирическим. Позднее было выведено не имеющее аналогов уравнение реологии дилатантных систем и уравнение реологии тиксотропных систем на основе их фрактальной модели. Последнее по форме эквивалентно известному эмпирическому степенному уравнению. Тем самым было завершено теоретическое обоснование всех наиболее применяемых на практике уравнений реологии неньютоновских жидкостей. Это важно для понимания механизма неньютоновского поведения различных систем и для выяснения границ применимости тех или иных уравнений.

Среди практических результатов, нашедших применение за пределами кафедры и института можно упомянуть создание феррожидкостей и устройств на их основе (аспиранты , , В), разработку радиопоглощающих материалов в виде магнитных аэрозолей и твердых покрытий с градиентом диэлектрической и магнитной проницаемости (научные сотрудники , , ), разработку составов и технологии суперполирования больших металлических зеркал для телескопов и участие в создании такого зеркала на экспорт (ст. научный сотрудник ), разработку электрохимической концепции суперполировки металлов.

Все упомянутые теоретические результаты имеют эквивалентное представление в виде компьютерных программ, позволяющих исследовать зависимости явлений, свойств и хода процессов от условий виртуального опыта. Пользователю необходимо лишь ввести интересующие его исходные данные.

В завершение совет для тех, кто еще выбирает кем быть. Конечно химиком. Химик, как никто другой, может в одиночку сотворить нечто такое, что до него никто не мог сделать. Для этого ему не нужен завод, или цех, или адронный коллайдер, хотя, конечно, лучше иметь и это под рукой. Порой достаточно иметь несколько колб и хорошие знания химии. В общем, это наука для тех, кто ценит свою независимость в творчестве и предпочитает созидать, а не только потреблять. Еще большее благо – работать не в одиночку, а в хорошем коллективе. В конце концов и сотворение нового доставляет удовольствие, если есть с кем поделиться успехами, особенно с начальством, выписывающем премии.

профессор