Плазменный синтез нанокристаллов
В настоящее время уже не является экзотикой применение низкотемпературной плазмы, получаемой лазерной абляцией (абляция — унос вещества с поверхности твердого тела потоком горячего газа, например путем эрозии его поверхности) в газах или электрогазоразрядными методами, в технологиях производ¬ства наноструктурных частиц материи. Сейчас внимание ученых все больше привлекает плазменный синтез таких частиц в системах «жидкость — твердое тело», в частности в системах «жидкость — металл». Будучи экологически чистым, этот метод может помочь созданию новых фармацевтических препаратов на основе коллоидных частиц металлов благодаря тому, что содержащиеся в лечебных средствах чистые металлы менее токсичны, чем их органические и неорганические соли. Известно также, что, к примеру, наночастицы меди и ее оксидов обладают широким антибактериальным действием, а цинк входит в состав лекарственных препаратов для лечения кожных заболеваний.
Оптимизация условий синтеза и предсказание свойств формируемых плазмой наноразмерных частиц в жидкости требует глубокого изучения плазмообразующих процессов и проведения контроля параметров целевого продукта. С этой задачей успешно справился коллектив ученых из Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси (В.С. Бураков, Н.В. Тарасенко, А.В. Буцень, Е.А. Невар, Н.А. Савастенко), в совершенстве отработавший методику применения лазерного двухимпульсного режима и электрических разрядов в жидкостях для синтеза нанокристаллических частиц меди и цинка. Одним из положительных результатов данной разработки явилось увеличение массы аблируемого вещества и, как следствие, количества формируемых нанокристаллических частиц, а также уменьшение их размеров.
Несмотря на трудоемкость и сложность процесса из-за большой неоднородности и высокой плотности плазмы в жидкостях, авторами сделана ее спектроскопическая диагностика и выяснены физические факторы, определяющие свойства металлических частиц. Контроль спектральных характеристик осуществлялся посредством регистрации спектров экстинкции коллоидных растворов. Рентгеноструктурный анализ проводился на выделенных из коллоидных растворов на подложку ассоциированных модификациях этих частиц. Их форма и размеры исследованы на просвечивающем электронном микроскопе. Сложная пространственно-временная структура образующейся при абляции эрозионной плазмы в системе «жидкость — металл» изучена методом регистрации изображений плазменно-эрозионного «факела» с помощью камеры на основе ПЗС-матрицы со стробируемым усилителем яркости.
Анализ материала бетонных конструкций
Причиной разрушения железобетонных конструкций часто является коррозия бетона, начинающаяся с карбонизации так называемого цементного камня. Разрыв стальной арматуры изделий зачастую может происходить из-за ее локальной коррозии под действием хлоридов, сульфатов, сульфидов и других в разной степени агрессивных веществ. Авторы
М.В. Бельков, В.С. Бураков, В.Ю. Гуринович, А.И. Дедюля, В.В. Кирис и С.Н. Райков (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Белорусский национальный технический университет, Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь) предложили и апробировали комбинированный лазерно-электроискровой спектральный метод экспрессного определения углерода и свойственных упомянутым агрессивным веществам элементов (хлора, серы) в строительных материалах на цементной основе.
Для демонстрации действенности метода проведена экспертиза железобетонных опор водонапорных башен, в разное время по неизвестным причинам разрушившихся на территории Минского района. Результаты анализа показали, что изначальная гипотеза о локальной хлоридной и/или сульфатно-сульфидной коррозии металлической арматуры опор оказалась неверной. Разрушение было вызвано именно карбонизацией цементного камня.
Предложенный метод анализа состояния железобетонных конструкций незамедлительно взят на вооружение белорусскими специалистами для своевременного выявления опасности и предотвращения возможных катастроф, ведь железобетонными являются не только башни, но и большинство мостов и других крупных сооружений.
Легирование посредством плазменных потоков
Известно, что молибден применяется для легирования используемых в авиа- и автомобилестроении металлов и сплавов, в качестве конструкционного материала для изготовления лопаток турбин и катодов электровакуумных приборов, при получении композиционных жаропрочных и кислотостойких материалов, а также других целей.
Целевое модифицирование свойств поверхностного слоя материала можно проводить путем предварительного нанесения на него нужного покрытия и по¬следующего воздействия на полученную систему «покрытие — подложка» ионными, электронными, лазерными и плазменными пучками. Авторы Н.Н. Черенда, В.В. Углов, В.М. Асташинский и А.М. Кузьмицкий (Белорусский государственный университет, Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси) проведенными экспериментами убедительно доказали, что именно компрессионные плазменные пучки (плазмообразующими газами служили азот и водород) являются эффективным «орудием» модифицирования поверхностных слоев алюминиевых сплавов и монокристаллического кремния, их легирования атомами молибдена.
В Институте молекулярной и атомной физики НАН Беларуси (недавно этот институт вошел в состав Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси) ранее был создан квазистационарный плазменный ускоритель нового поколения, способный генерировать сверхзвуковые (50—200 км/с) компрессионные плазменные потоки с температурой плазмы 2—15 эВ и концентрацией в ней электронов 1016—1018 см-3. Воздействие этих потоков на систему «покрытие — подложка» приводит к плавлению покрытия и поверхностного слоя подложки, жидкофазному перемешиванию расплава и последующему его сверхбыстрому охлаждению. В результате на материале формируется модифицированный слой толщиной в несколько десятков микрометров, легированный элементом покрытия, в данном случае — молибденом.
Воздействие плазмы на семена и штаммы
Авторы В.В. Ажаронок, И.И. Филатова, Е.А. Городецкая, Л.А. Мельникова и А.С. Шик (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Центральный ботанический сад НАН Беларуси, Республиканский научно-практический центр гигиены, Полесский аграрно-экологический институт НАН Беларуси) показали, что обработка слабоинтенсивными плазменными пучками и микроволновым излучением семян некоторых культивируемых в Беларуси злаковых и декоративных растений заметно повышает их всхожесть и приводит к увеличению энергии их прорастания в сравнении с контрольными необработанными семенами. Причина — активация внутриклеточных механизмов этих семян. Методика белорусских ученых ждет своего широкомасштабного применения для обработки семян ржи, ячменя, пшеницы и гороха.
Плазменной обработке подвергались также некоторые штаммы микроорганизмов. Показана высокая стерилизующая эффективность плазмы высокочастотного емкостного разряда в атмосфере воздуха при его пониженном давлении в отношении большинства исследуемых штаммов бактерий.
Углерод и микроэлементы в почве
Традиционные химические процедуры определения содержания органического углерода и микроэлементов в почве длительны и трудоемки. Порой серьезной помехой для проведения такого рода анализа являются некоторые присутствующие вещества, например хлориды, которые надо учитывать или химически преобразовывать в иные соединения. Авторы М.В. Бельков, В.С. Бураков, A. Де Джиакомо, В.В. Кирис, С.Н. Райков, В.А. Розанцев и Н.В. Тарасенко (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Университет Бари, Италия) поставили себе задачу экспериментальной проверки возможностей применения двух современных методов лазерного спектрального анализа для определения содержания углерода и микроэлементов в почвах. Первый метод основан на вызванном лазерной плазмой импульсном электрическом разряде в непосредственной близости от поверхности анализируемого материала. В основе второго лежит двухимпульсная лазерная абляция исследуемого образца.
Производился забор образцов различных песчаных, глинистых и иных почв для построения калибровочных зависимостей с целью обеспечения широкого диапазона концентраций в них углерода и микроэлементов. Оба метода (с примерно одинаковыми точностью и пределами обнаружения) оказались пригодными для определения суммарного наличия углерода в почвах. Метод двухимпульсного лазерного спектрального анализа, кроме этого, оказался достаточно чувствительным для регистрации спектральных линий большинства почвенных микроэлементов.
Определение состава инородных включений в стеклах
Е.А. Ершов-Павлов, В.А. Розанцев, Л.Н. Шпаковская и Ю.Е. Анифер (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, НИИ криминалистики и судебной экспертизы Министерства юстиции Республики Беларусь) показали, что для исследования химического состава стекол и их, как выражаются авторы, «пороков» оптимальным является метод лазерно-плазменного микроспектрального анализа. Его преимущества заключаются в экспрессности, локальности и простоте. Он позволяет получить такую же полную информацию с высокой достоверностью, как и спектрографический способ анализа плазмы, образованной электродуговым разрядом.
Предложенный метод не требует специальной подготовки пробы, которая обычно весьма трудоемка. С его помощью можно проводить спектральный анализ внешне не различимых по цвету включений в стекле без их извлечения из основы. Достаточно лишь, чтобы поверхность включения оказалась доступной для воздействия на нее лазерного излучения. Сравнивая полученные спектры с таковыми у образцовых стекол, можно быстро установить природу и происхождение «порока», что позволяет предприятию-производителю оперативно устранить причину его возникновения.
Лазерная экспертиза произведений живописи
Издавна существует принцип минимального воздействия на предмет искусства при проведении его экспертизы. Эффективным и перспективным методом здесь стал лазерный спектральный микроанализ. Лазер позволяет проводить щадящий художественное полотно послойный отбор его материала.
Авторы В.С. Бураков, Е.М. Довнар-Запольская, Е.В. Клячковская, В.В. Кирис и С.Н. Райков (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Институт искусствоведения, этнографии и фольклора им. К. Крапивы, Национальный художе¬ственный музей Республики Беларусь) применили эмиссионный спектрометр (с лазерным пробоотбором и последующей атомизацией анализируемого материала) для экспертизы живописных масляных полотен, написанных предположительно в конце XVIII в. неизвестными западноевропейскими художниками. Установленный атомно-элементный состав масел и по¬следующая искусствоведческая экспертиза доказали соответствие компонентного состава красочных слоев предположительному времени написания картин.
Получение водорода в плазме «тлеющего» разряда
Создание малогабаритных переносных источников водорода, в которых генерация этого востребованного сегодня элемента происходит в образующейся при «тлеющих» электрических разрядах в различных газовых смесях неравновесной плазме, весьма актуально.
Авторами В.И. Архипенко, С.М. Згиров¬ским, А.А. Кирилловым и Л.В. Симончиком (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси) установлено, что в катодной области «тлеющего» в гелий-аммиачной газовой смеси разряда происходит диссоциация аммиака, в результате чего образуется атомарный водород, рекомбинирующий затем в свою молекулярную форму. Факт образования молекул водорода подтвержден регистрацией характерных полос Н2 в спектре излучения газоразрядной плазмы. Таким образом, сегодня становится реальным относительно просто и при малых затратах энергии получать водород из содержащих его газообразных соединений.
Легирование поверхности стали
В.В. Углов, Н.С. Тарасюк, Н.Н. Черенда, В.М. Асташинский и А.М. Кузьмицкий (Белорусский государственный университет, Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси) разработали метод легирования низкоуглеродистой стали титаном и молибденом. Суть метода состоит в том, что на предварительно очищенную ионной бомбардировкой поверхность стального образца электродуговым методом наносится титан-молибденовое покрытие. Конечной стадией процесса является обработка полученной таким образом системы «покрытие — подложка» компрессионными потоками азотной плазмы. При этом вблизи поверхности образца вследствие взаимодействия налетающего и отраженного плазменных потоков образуется, согласно выводам авторов, «легирующий ударно-сжатый слой», состоящий не только из вещества покрытия, но и из плазмообразующего вещества — азота. Взаимодействие этих элементов между собой приводит к увеличению твердости поверхностных слоев стали приблизительно в 2 раза.
Испытание огнезащитных покрытий
В связи с ростом электротоковых нагрузок в больших городах и внедрением на производствах мощного электротехнического оборудования существенно возросла опасность возникновения короткого замыкания из-за пробоя изоляции. Образующаяся при нем электрическая дуга может привести к пожару. Для оценки огнезащитной эффективности того или иного противопожарного изоляционного покрытия в мировой практике используются различные методы. Очевидно, однако, что испытания этих покрытий нужно проводить в условиях, максимально приближенных к реальным. Так решили авторы И.П. Смягликов, А.И. Золотовский, В.В. Богданова и О.Н. Бурая (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, НИИ физико-химических проблем Белорусского государственного университета) и применили для проведения таких испытаний «ламинарную плазменную струю», генерируемую с помощью ими же созданного устройства — электродугового плазмотрона. Устойчивость плазменной струи, ее высокая температура и слабый газодинамический напор обеспечивают возможность использования электродугового плазмотрона для надежных испытаний разнообразных покрытий.
Проведенные авторами многочисленные эксперименты показали, что недавно разработанные изолирующие покрытия нового класса могут применяться в электротехническом оборудовании с целью защиты от распространения пожара в случае возникновения дуги короткого замыкания.
Структурно-фазовые изменения в армко-железе
Армко-железо (ARMKO — сокращенное название фирмы American Rolling Mill Company) — технически чистое железо, обладающее большой магнитной восприимчивостью, повышенной электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Оно применяется преимущественно в электромашиностроении, где все большее распространение получают технологии плазменной модификации поверхностей деталей с целью повышения их износостойкости. Известно, что воздействие на металлы сверхзвуковых компрессионных плазменных потоков способствует плавлению их поверхности и формированию специфических слоев, образующихся из-за быстрой кристаллизации металла из его расплава.
В.В. Асташинским и И.Н. Румянцевой (Белорусский государственный университет, Физико-технический институт НАН Беларуси) проведены исследования структурно-фазовых изменений в армко-железе под воздействием компрессионных плазменных потоков, плазмообразующим веществом которых являлся водород. Показано, что в процессе плавления и кристаллизации на границе системы «кристалл железа — его расплав» возникает значительный градиент температур, приводящий к появлению областей термоупругих напряжений сжатия и растяжения, которые, в свою очередь, способствуют образованию дислокаций по всей толщине приповерхностного слоя армко-железа. Как считают авторы, такие области сжатия и растяжения «притягивают» атомы примесей — в данном случае плазмообразующего водорода. Из-за затрудненности перемещения дислокаций твердость армко-железного образца повышается. Когда водород с течением времени покидает поверхность образца, дислокации становятся более подвижными и могут полностью «выйти» на поверхность с образованием так называемых «ямок травления».