Размещено на http://www.allbest.ru/

Закономерности и механизмы формирования наноструктур и влияние внешних факторов на их свойства

При переводе молекулы из обьема на поверхность совершается работа против нескомпенсированных сил межчастичного взаимодействия. Поверхностная энергия E равна сумме механической работы образования единицы площади поверхности s и поглащаемой при этом теплоты q[1]:

E = s + q.(1)

Вторым фактором «особых» свойств наночастиц является их высокая химическая активность в совокупности с энергетическими, электрическими и магнитными свойствами.

В начальной стадии химической реакции при образовании самых первых частиц нового соединения проходят процессы агрегации (процессы накопления нового вещества). Агрегация является тем процессом, который может привести к образованию новой фазы. Исходной позицией агрегации является образование некоторых устойчивых сочетаний атомов и молекул, которые могут быть названы ассоциатами или кластерами (фрактальными кластерами). Для фрактального кластера характерно наличие совокупности физических и химических свойств. Изменение числа атомов или молекул в кластере приводит к изменению их свойств, т.е. процесс агрегации представляет собой процесс сочетания различных физико-химических реакций на их первых стадиях.

Первым шагом в построении модели агрегации частиц может стать математическое моделирование процессов агрегирования частиц[2,3].Движущей силой этого процесса является наличие градиента химического потенциала между постоянным источником частиц и серединой выбранного поля. Поток частиц можно записать как :

I_i = Dgrad p_I , (2)

где I_i - поток i - тых частиц, D_i - коеффициент диффузии этих частиц, выступающий как мера скорости движения частиц, grad p_I - изменение химического потенциала в процессе диффузии.

Начальные стадии химического взаимодействия находятся далеко от равновесных условий, и поэтому эти процессы необходимо рассматривать с точки зрения термодинамики неравновесных систем.

Согласно термодинамике неравновесных процессов поток движущихся частиц является суммой кинетических и термодинамических факторов системы:

I_i = УL_i X_k (3)

где I_i - поток I - х частиц, L_i - кинетическая характеристикапотока, X_k - термодинамическая характеристика потока.

Исследования, проводимые нами направлены на изучение механизмов образования наноструктур, влияния структурных факторов синтезируемых материалов на их свойства с целью создания материалов и устройств различного функционального назначения с использованием теории синергетики.

Применение идей синергетики в нанонауке

В области развития теории и моделей наномира, прогресс в последние годы достигался в основном путем использования более мощных компьютеров и компьютерных программ, и в гораздо меньшей мере за счет появления новых теоретических представлений и моделей [3]. Поэтому, большой опыт, накопленный в синергетике по части моделирования процессов самоорганизации, именно в виде моделей и теоретических построений, представляется особенно важным для дальнейшего развития нанонауки.

В истории развития синергетики выделяют три периода, или парадигмы исследований [4]. Рассмотрим, какие идеи каждой из парадигм могут быть использованы в нанонауке.

А)Парадигма диссипативных структур

В работах, принадлежащих парадигме диссипативных структур, исследователям удалось изучить образование структур различного характера (временных, пространственных, пространственно-временных) в системах различной природы. В рамках парадигмы диссипативных структур были изучены модели класса реакция-диффузия, основанные на системах квазилинейных уравнений параболического типа с нелинейными источниками (4).

u_t = div (k₁ grad u ) + f(u,v) (4)

v_t = div (k₂ grad v ) + g(u,v)

Смысл переменных u и v, обычно, концентрации. Само понятие концентрации подразумевает усреднение на макромасштабах.

Модели этого класса не могут быть использованы непосредственно для моделирования систем в нанометровой шкале, однако, будучи согласованными с моделями более высоких уровней подробности описания, они обладают значительной предсказательной силой.

Работы научной школы И.Р. Пригожина показывают, как спонтанно может возникнуть пространственно-временная упорядоченность, связанная с химическими реакциями и диффузией (стационарные диссипативные структуры). Работы научной школы показывают, как может возникнуть упорядоченность в нелинейных средах с сильной положительной обратной связью (нестационарные диссипативные структуры, обладающие свойством пространственной локализации).

На базе обширного фактического материала парадигма диссипативных структур выработала качественные представления о процессе образования структур, которые могут послужить и в области создания структур в наномасштабе.

Б)Парадигма динамического хаоса

Одной из ключевых идей парадигмы динамического хаоса стала идея о структурах, обладающих свойством самоподобия - фрактальных структурах. Фрактальные структуры (рис. 2.) имеют дробную хаусдорфову размерность, что означает, например, бесконечный периметр при конечной площади структуры, или бесконечную площадь структуры при конечном объеме.

С подобными примерами сверхкомпактной упаковки мы встречаемся на каждом шагу, например, так устроены наши легкие (их активная поверхность сравнима по площади с теннисным кортом). Одной из проблем молекулярной биологии является проблема сверхкомпактной упаковки молекулы ДНК (в типичной бактерии молекула ДНК в 10000 раз длиннее самой клетки).

Рис. 2. Фрагмент множества Жюлиа

Естественно предположить, что использование моделей, связанных с фрактальными структурами, является крайне актуальным при разработке принципов формирования и упаковки наноструктурных материалов в области строительных материалов.

В)Парадигма сложности

Можно привести следующий пример: (1) Одним из основных разделов теоретической физики является статистическая механика. В ней отдельные частицы представляются часто шарами, имеющими массу, скорость, может быть заряд или спин; (2) В экономике, в популяциях животных, в группах людей также имеют место статистические закономерности. Но сами взаимодействующие сущности - агенты - сложнее. Они могут оценивать окружение, собственное состояние или предисторию, могут оптимизировать, размножаться или вычислять. Этот класс моделей часто называют многоагентными системами, а исследование их статистических свойств, с легкой руки Дж. Фармера, вычислительной механикой.

Таким образом парадигмы синергетики отличаются по типам самоорганизации (спонтанного возникновения упорядоченностей): (1) в парадигме диссипативных структур рассматривается самоорганизация в физическом пространстве (в одних областях пространства концентрация реагента мала, в других - велика); (2) в парадигме динамического хаоса часто рассматривается самоорганизация в фазовом пространстве (пространстве состояний системы), связанная, например, с возникновением самоподобных, фрактальных структур; (3) в парадигме сложности рассматривается самоорганизация в пространстве стратегий, предпочтений, решающих правил. Например, одной из важных идей этой парадигмы является сжатия информации (например, изображения), путем нахождения динамической системы вида (5):

(5)

В данной работе для получения нанокомпозитного тампонажного цемента использованы природные кремнеземы Таш-Кумырского и Озгурского месторождений Кыргызской Республики.

Известно, что одним из основных способов целенаправленного повышения термостойкости тампонажного цемента на основе портландцементов является использование специальных добавок к стандартным тампонажным портландцементам тонкодисперсного кремнезема (SiO₂) - кислотного компонента[5,6]. Обычно в качестве такой добавки используют молотый кварцевый песок, содержащий примеси полевого шпата, слюды, известняка. Присутствие этих примесей негативно влияет на свойства формирующегося цементного камня - происходит резкое снижение его прочности и коррозионной стойкости. Другой важной составляющей является размер частиц добавки. Чем больше дисперсность добавки, тем выше ее активность при взаимодействии с минералами цементного клинкера.

Химический компонентный состав имеющихся на юге Кыргызстана кварцевых месторождений, определенные на основе химического и спектроскопического анализов показаны в таблице 1.

Таблица 1.Содержание химических компонентов природной кремнеземистой добавки различных месторождений

Таблица 2 Свойства тампонажных растворов с добавками молотого порошкообразного кварца

На основе приведенных данных в таблиц 1 и 2., из имеющихся кремнеземов для получения седиментационно-устойчивых термостойких тампонажных растворов с плотностью 1800 - 1850 кг/м³ в качестве основной добавки можно предлагать высокодисперсный кварцевый обогащенный порошок Таш-Кумырского и Озгурского месторождений, соответственно, со следующими свойствами:

· химический состав SiO₂=94.3 и 88,3% с содержанием примесей Al₂O₃=1.8 и 6.3% и K₂O=3.0 и 5.5%; дополнительная промывка песка обогатить его до 97-98%;

· высокая дисперсность - средний размер частиц молотого SiO₂ составляет 25-45 мкм;

· высокая удельная поверхность - 4710 см²/г;

· низкая влажность - менее 0.15 %.

Основные технические показатели ( время загустевания и схватывания, реологические и фильтрационные свойства, расширение) легко регулируется путем ввода стандартного применяемых в практике реагентов.

Таким образом, используемые смеси на основе тампонажных портландцементов и порошкообразного кварца позволяет:

· приготавливать седиментационно-устойчивые тампонажные растворы различной плотности с оптимальными реологическими характеристиками;

· создавать высокопрочный и непроницаемый цементный камень в скважинах с высокими забойными температурами;

· значительно повысить коррозионную стойкость цементного камня.

С учетом полученных результатов нами разработаны рецептуры термостойких тампонажных растворов для цементирования глубоких скважин, включающие также специальные добавки для регулирования времени загустевания, показателя фильтрации и компенсации отрицательного действия эффектов усадки - контракции в процессе формирования камня.

Для оценки влияния величины концентрации добавки кварца на прочностные характеристики камня из портландцемента их содержания менялись от 30 до 80% [7]. Компоненты смешивались в сухом виде и затворялись на пресной воде при водосмесовом отношении В/С=0.5. С увеличением концентрации порошкообразного кварца до 50% в смеси наблюдается увеличение прочности тампонажного цементного камня, а при дальнейшем увеличении концентрации SiO₂ снижается прочности камня.

Таблица 3. Предел прочности тампонажного цементного камня в зависимости от массового содержания цемента и кварцевого песка Озгурского месторождения

Как видно из таблицы 1 рассмотренные кварцевые месторождения разнообразны по химическому составу, так и по уровням содержания примесей. Однако по содержанию примесей и по данным табл.2 и 3 наиболее целесообразным месторождением для организации производства тампонажного цемента является Таш-Кумырское и Озгурское месторождений.

Выводы

1.Установлено, что рассмотренные кварцевые месторождения разнообразны по химическому составу, так и по уровням содержания примесей. Однако по содержанию примесей наиболее целесообразным месторождением для организации производства тампонажного цемента является Таш-Кумырское и Озгурское месторождений.

2.Используемые смеси на основе тампонажных портландцементов и порошкообразного кварца позволяет: приготавливать седиментационно-устойчивые тампонажные растворы различной плотности с оптимальными реологическими характеристиками; создавать высокопрочные и непроницаемые цементные композиции с высокими забойными температурами; значительно повысить коррозионную стойкость цементной композиции.

3. Установлено, что минеральные порошки сухого помола (как кристаллические, так и аморфные) более активны и реакционноспособны, чем порошки мокрого помола при равной их дисперсности. Эти отличия в активности порошков сухого и мокрого помола сохраняются и при достаточно высоких температурах спекания. Можно сказать, что структурная нестабильность и неоднородность дисперсионной фазы как исходной составляющей нанотехнологии характеризуется более реакционноспособной для формирования структуры матрицы композита.

Список использованной литературы

тампонажный цемент наноразмерный кремнезем

1.Таланов В.М., Ерейская Г.П., Юзюк Ю.И. Введение в химию и физику наноструктур и наноструктурированных материалов: учеб. пособие. - М.: Академия Естествознания, 2008. - 389 с.

2.Тягунов О.А. Программный комплекс для моделирования и исследования динамических характеристик микро- и наномеханических элементов и систем // Нано- и микросистемная техника. - 2008. - N 3(92). - С.19-25.

3.Тарнавский Г.А., Алиев А.В., Тарнавский А.Г. Математическое моделирование процессов формирования наноструктур легирующих примесей в базовом материале (нанотехнологии для микроэлектроники) // Сиб. журн. вычислит. математики. - 2007. - Т.10, N 4. - С.401-416.

4. Иванова В.С., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. - М.: Наука, 1994. - 383 с.

5.Бабков ВВ., Мохов В.К, Капитонов СМ., Комохов П.Г. Структурообразование и разрушение цементных бетонов. -Уфа, 2002. - 376 с.

6.Евтушенко Е И. Активационные процессы в технологии строительных материалов. Белгород, 2003 -208 с.

7. Белей И., Щербич Н., Коновалов Е., Ноздря В., Саморуков Д., Соколович А. Кремнеземистые активные добавки для тампонажных цементов // Бурение. Нефть, 2004, №3.

Размещено на Allbest.ru