Сотрудники Омского государственного технического университета проанализировали свойства фаз веществ в модели, в которой смешаны два типа газа, и классифицировали взаимодействия между ними. Полученные результаты позволят усовершенствовать оборудование, которое меняет химические показатели веществ. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда, а ее результаты опубликованы в журнале Adsorption.

Все природные явления в мире делятся на химические и физические. При первых образуется новое вещество: например, при горении выделяется углекислый газ. При физических явлениях соединение не образуется, но изменяется состояние уже имеющегося. Так, когда вода испаряется, она переходит из жидкого состояния в газообразное — пар.

Специалисты в вычислительной химии изучают эти явления при помощи компьютерных моделей. Авторы работы исследуют процессы самоорганизации на поверхности, в частности особенности поведения поверхностных молекулярных монослоев из смеси молекул разного типа. Ученые ищут движущие силы такой самоорганизации, чтобы в будущем управлять молекулярными процессами на макроуровне.

Ранее авторы начали исследования простейшей модели адсорбционной системы, в которой одно вещество поглощает молекулы другого, находящиеся рядом с ним. Это происходит, потому что силы межмолекулярного воздействия на границе этих двух веществ неравны, так что одно из них может разорвать внутренние связи между частицами другого и «утянуть» их к себе.

Авторы изучили модельную систему, в которой поглощение происходит между двумя газами на поверхности с квадратной симметрией. Ее можно сравнить с шахматным полем: все клетки одинаковые и находятся в строгом порядке, а фигуры, которыми в этом случае и являются молекулы газов, могут занять только одну клетку. При этом газы взаимодействуют друг с другом, отталкивая либо притягивая друг друга.

«Существует бесконечное количество наборов межмолекулярных взаимодействий, и нашей задачей было сгруппировать их в соответствии с особенностями фазового поведения адсорбционного монослоя», — рассказал один из авторов статьи Василий Фефелов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник кафедры «Химическая технология» Нефтехимического института ОмГТУ.

Адсорбционный монослой — это слой, который состоит из «прилипших» к поверхности молекул из газовой смеси. На нем могут формироваться упорядоченные структуры в зависимости от концентраций молекул в газе и их взаимодействий.

В ходе работы ученые выяснили, что у отталкивающих сил есть 14 типов фазовых диаграмм, а у притягивающих — 12. Также существует адсорбция невзаимодействующих газов разного типа: молекулы взаимодействуют только с представителями своего сорта. В этой группе ученые увидели шесть разных типов диаграмм.

В следующей работе авторы планируют провести масштабный системный анализ того, как геометрия поверхности влияет на фазовое поведение адсорбционного слоя в изучаемой модели. Фазовым поведением называют изменения состояния вещества. Например, вода в зависимости от температуры меняет свои фазы: пар, жидкость и лед. В данном случае все очень похоже, только система двумерная, а льдов может быть несколько видов с разной структурой.

Авторы отмечают, что работа носит фундаментальный характер, однако, несмотря на это, ее результаты перспективны для разных областей науки и техники. Так, ученые показывают перспективы высокоточного адсорбционного оборудования, которое позволит менять химические потенциалы, например концентрацию газовых компонентов, с точностью, соизмеримой с энергиями межмолекулярных взаимодействий. Это приведет к качественным изменениям протекающих химических реакций: ускорению и повышению избирательности при одновременном снижении температуры. К такому оборудованию относятся химические микрореакторы, которые позволяют комбинировать отдельные базовые устройства (смесители, теплообменники) в одной системе.

Картинка: решеточная адсорбционная модель и вид...

Картинка: решеточная адсорбционная модель и виды межмолекулярных взаимодействий в ней. Источник: Василий Фефелов

«Полученные результаты могут быть полезны для интерпретации экспериментальных данных газоразделения, процессов молекулярной самосборки на поверхности, ускорения реакций при низких температурах», — добавил Василий Фефелов.

В рамках гранта РНФ химики работают над созданием универсальной платформы, которая поможет ученым создавать адекватные математические модели реальных адсорбционных систем. Также с ее помощью можно будет исследовать полученные модели методами статистической физики, не прибегая к тонкостям программирования.