Как крошечные частицы алюминия учатся не взрываться раньше времени
Чтобы понять, что происходит с наноалюминием при нагревании, исследователи использовали термогравиметрический анализ — метод, при котором образец непрерывно взвешивают, пока его температура растёт. Оказалось, что окисление нанопорошка — это не один процесс, а целый спектакль из четырёх актов. При температурах около 330°С начинается первая стадия: на поверхности частиц формируется аморфная, то есть неупорядоченная, оксидная плёнка. Она ведёт себя как защитная оболочка, но при нагреве до 600°С происходит кристаллизация — аморфный оксид превращается в гамма-оксид алюминия, и этот переход сопровождается резким ускорением реакции. Третья стадия, в районе 800°С, связана с ростом более стабильных оксидных слоёв, а финальный акт при 1 000°С — это образование альфа-оксида алюминия, самой устойчивой и плотной формы, которая окончательно блокирует доступ кислорода к металлу.
Но самое интересное началось, когда учёные добавили в порошок органические пассивирующие добавки — своего рода защитную плёнку из специальных молекул. Они использовали четыре разных вещества: 8-оксихинолин, катехол, стеариновую кислоту и ацетилацетон. Первые три почти не изменили поведение порошка: кривые окисления остались такими же, как у чистого алюминия. А вот ацетилацетон устроил настоящую революцию. Обработанный им порошок окислялся гораздо быстрее на второй стадии, причём настолько стремительно, что расчётные значения энергии активации и предэкспоненциального множителя оказались аномально высокими — это указывало на то, что частицы фактически воспламенялись раньше обычного.
Почему же одно вещество подействовало так кардинально, а другие — почти никак? Ответ нашли, изучив размеры агломератов — скоплений наночастиц, которые слипаются друг с другом. Оказалось, что ацетилацетон значительно подавляет слипание. В обычном порошке частицы собираются в крупные комки, и кислороду трудно проникнуть внутрь, чтобы прореагировать со всеми частицами. А после обработки ацетилацетоном большинство агломератов имело размер менее 100 нанометров — это значит, что почти каждая частица оказывается доступной для окисления. Такая «раздельная» упаковка резко увеличивает площадь контакта с кислородом и ускоряет реакцию. Другие добавки либо не мешали слипанию, либо делали это слабо, поэтому их эффект оказался скромным.
Это открытие имеет практическое значение. Если вы работаете с наноалюминием — например, создаёте твёрдое ракетное топливо или высокоэнергетические смеси — вам нужны частицы, которые окисляются быстро и полностью. Ацетилацетон даёт именно такой эффект. Но есть и обратная сторона: более активный порошок сложнее хранить, он требует особых условий. С другой стороны, если ваша цель — максимальная стабильность и долгий срок хранения, лучше выбрать добавки вроде стеариновой кислоты, которые практически не меняют поведение наночастиц, но защищают их от влаги.
Что особенно ценно в этой работе — учёные разработали новый метод расчёта кинетических параметров, который позволяет описывать каждую стадию окисления отдельно. Раньше такие расчёты требовали сложных численных методов и были доступны только узким специалистам. Теперь же, используя всего два температурных параметра, можно предсказать, как поведёт себя тот или иной нанопорошок при нагреве. Это упрощает разработку новых материалов: не нужно проводить сотни экспериментов, достаточно одного термогравиметрического анализа и точной математической обработки.
Исследование томских учёных показывает, что маленькие добавки могут кардинально менять поведение наноматериалов. Выбор подходящего органического покрытия позволяет либо ускорить окисление в нужный момент, либо замедлить его для безопасного хранения. А главное — универсальный метод анализа, созданный в этой работе, поможет инженерам и химикам быстрее проектировать новые высокоэнергетические составы, будь то топливо для космических кораблей или компоненты для систем безопасности. В конечном счёте, управляя тем, что происходит на поверхности крошечных частиц, мы учимся управлять огромной энергией, скрытой внутри них.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Вестник Томского государственного университета. Математика и механика».
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № РНФ 22-69-00108.
Использована информация с научно-информационного портала «Поиск»
В лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ
Источник: Новости ТГУ