Обнаружены интересные особенности поведения газовой смеси на поверхности твердого тела

Сотрудники Омского государственного технического университета (ОмГТУ) построили решеточную модель и исследовали поведение двухкомпонентной газовой смеси при ее осаждении на поверхность твердого тела. Полученные данные иллюстрируют практически все возможные варианты взаимодействия молекул на плоскости и могут быть полезны для истолкования результатов специалистов в самых разных областях химической науки. Работа выполнена при поддержке гранта Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Явление адсорбции имеет место практически во всех системах, где есть две и более фазы — однородные части с различающимися между собой свойствами. Суть адсорбции рассмотрим на следующем примере.

В воздухе летают, предположим, воробьи и синицы. Внутри своего вида они активно контактируют: конкурируют или взаимодействуют более мирно, однако, синицы с воробьями стараются не общаться. При изменении условий — повышении температуры или увеличении количества птиц — они опускаются на землю, «адсорбируются» на ее поверхности. Теперь им необходимо разместиться так, чтобы всем было комфортно и не возникало конфликтов. Происходит самопроизвольное перемещение, сопровождающееся разного рода контактами друг с другом, и логично, что каждый стремится затратить на это как можно меньше энергии. В конце концов, каждая птица находит себе место. Выбор кружка своих сородичей вполне понятен, но порой возникают весьма странные межвидовые скопления.

Описанное можно перенести в научную плоскость, если учесть, что птицы — молекулы газа, их вид — тип или сорт, а общение между ними — физическое взаимодействие. Как и в «птичьей» модели, причины скопления молекул разного типа не ясны и вызывают особый интерес ученых.

«В своей работе мы провели полный анализ поведения модели адсорбции смеси двух газов, оседающих на поверхность квадратной решетки. Мы считали, что адсорбированные молекулы одного типа реализуют всевозможные варианты взаимодействия друг с другом, но никак не реагируют на молекулы другого типа. Такая модель была исследована при абсолютном нуле и конечных – в данной работе порядка -173°C – температурах, причем фазовое поведение модели в обеих ситуациях качественно одинаково», — рассказывает Василий Фефелов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, начальник Научно-исследовательской части ОмГТУ.

Простая модель ученых продемонстрировала богатое разнообразие поведений адсорбционного слоя молекул газовой смеси на поверхности решетки при изменении внешних условий. Для их описания вернемся к примеру с птицами. В некоторых областях плоскости собирались кружки исключительно воробьиные или синичьи (в зависимости от того, кто испытывал большее давление от своих сородичей в воздухе), где-то вообще никого не оказалось. Такие пограничные случаи не представляют особого научного интереса, гораздо примечательнее те группы, в которых возникает общение между разными видами и образовываются особым образом упорядоченные скопления. Понимание того, какая энергетическая выгода у соседствующих молекул разных типов в конкретном взаимном расположении, позволяет организовывать заданные «кружки» при точном варьировании параметров среды.

«Мы считаем, что результаты нашей работы окажутся полезными для истолкования экспериментальных данных низкотемпературного гетерогенного, многофазного, катализа, процессов самосборки молекулярных структур на поверхности, разделения газовых смесей и так далее. В частности, наша работа показывает перспективы применения в различных отраслях науки и техники адсорбционного оборудования, позволяющего изменять параметры системы с точностью, сравнимой с соответствующим изменением энергии взаимодействий между молекулами», — заключает Василий Фефелов.