СВДГ — сверхвысокодисперсная газовая смесь¶

СВДГ (сверхвысокодисперсная газовая смесь) — гетерогенная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твёрдых или жидких дисперсных частиц, размер которых не превышает 100 нм. Относится к классу дисперсных систем с газовой средой, однако отличается от обычных аэрозолей принципиально малым размером частиц, что определяет особые физико-химические свойства системы в целом.

¶Общие сведения

Дисперсные системы классифицируются по размеру дисперсных частиц. Частицы размером от 1 до 100 нм образуют так называемую сверхдисперсную область. Если дисперсионной средой такой системы является газ (воздух, азот, инертные газы), получают СВДГ. По агрегатному состоянию дисперсной фазы различают:

• Твёрдые СВДГ — наночастицы твёрдых тел (металлов, оксидов, солей) в газовой среде;
• Жидкие СВДГ — капли наноразмерного размера (аэрозоли) в газовой среде.

Термин «сверхвысокодисперсная газовая смесь» закрепился в российской научной литературе и учебных курсах коллоидной химии. В англоязычной традиции аналогичные системы описываются терминами «nanoaerosol» или «ultradispersed gas mixture».

¶Физико-химические свойства

Главное отличие СВДГ от обычных аэрозолей — крайне высокое удельное содержание поверхности раздела фаз. Для наночастиц размером около 10 нм удельная поверхность может достигать сотен квадратных метров на грамм вещества. Это приводит к ряду следствий:

• Высокая реакционная способность. Большая площадь поверхности ускоряет химические реакции с участием дисперсной фазы. Наночастицы металлов в газовой среде способны к самовоспламенению и взрывному окислению.
• Кинетическая неустойчивость. Частицы СВДГ склонны к агрегации (слипанию) и коагуляции, то есть система термодинамически неустойчива и стремится уменьшить суммарную площадь поверхности.
• Броуновское движение. Частицы размером менее 100 нм интенсивно перемещаются под действием молекул газа, что замедляет их осаждение под действием силы тяжести и стабилизирует систему на коротких временных промежутках.
• Квантово-размерные эффекты. При размерах частиц менее 10 нм их физические свойства (цвет, электропроводность, магнитные характеристики) начинают существенно отличаться от свойств массивного вещества.

¶Получение

Основные методы получения СВДГ делятся на две большие группы:

1. Дисперсионные — измельчение более крупных частиц до наноразмеров (высокоэнергетическое механическое измельчение, дробление в шаровых мельницах, эксплозивное испарение металлов).
2. Конденсационные — конденсация вещества из газообразного состояния (испарение металла в инертной атмосфере с последующей конденсацией — метод, разработанный в СССР для получения нанопорошков; плазменное напыление; химическое осаждение из газовой фазы).

Наиболее известный в России конденсационный метод — «газоконденсационный синтез», разработанный в 1970-е годы в Институте физики твёрдого тела АН СССР (Черновогорск) под руководством Г. А. Кичинова и Ю. И. Петрова. Метод позволяет получать нанопорошки металлов (Fe, Ni, Cu, Co, W, Mo и их оксидов) с размером частиц 5–50 нм в промышленных масштабах.

¶Применение

СВДГ находят применение в нескольких областях:

• Нанотехнологии и материаловедение. Нанопорошки, полученные в виде СВДГ, служат прекурсорами для получения наноструктурированных материалов, катализаторов, магнитных жидкостей.
• Пиротехника и ракетные двигатели. Наноалюминий и наномагний, полученные конденсационным методом, обладают повышенной реакционной способностью и используются в составе твёрдого ракетного топлива и пиротехнических составах.
• Медицина и фармакология. Наночастицы серебра и оксида цинка в газовой среде исследуются как противомикробные агенты.
• Электроника. Наночастицы металлов и полупроводников применяются при изготовлении токопроводящих паст и композитов.

¶Опасности

СВДГ относятся к потенциально опасным объектам. Нанопорошки металлов в дисперсном состоянии образуют взрывоопасные смеси с воздухом; инциденты, связанные с самовоспламенением наноалюминия при хранении, неоднократно фиксировались на производстве. Кроме того, проникновение наночастиц в дыхательные пути и лёгкие представляет собой фактор риска для здоровья, что требует специальных мер защиты при работе со сверхдисперсными системами.

¶См. также

• Аэрозоль
• Наночастицы
• Дисперсная система
• Коллоидная химия

¶Источники

• Ремезов Л. И., Ремезов В. Л. «Физическая химия и физико-химические процессы в дисперсных системах». — М.: Высшая школа.
• Шойкин А. К. «Наноструктурные материалы». — М.: Изд-во Моск. ун-та.
• Гликин А. С. «Физическая химия: учебное пособие». — М.: Высшая школа.
• Кичинов Г. А., Петров Ю. И. «Формирование нанокристаллических материалов конденсацией из газовой фазы» // Известия АН СССР. Серия физическая.
• Аграновская Е. В., Морозов А. Н. «Сверхвысокодисперсные газовые смеси: свойства и получение» // Вестник Московского университета. Серия 2: Химия.