scienceitНаука. Инновации. ТехнологииScience. Innovations. Technologies2308-4758North-Caucasus Federal University10.37493/2308-4758.2023.1.4scienceit-610Research ArticleНАУКИ ОБ АТМОСФЕРЕ И КЛИМАТЕ (физико-математические науки)ATMOSPHERIC AND CLIMATE SCIENCES (physical and mathematical sciences)Исследования льдообразующих свойств кластеров из нанотрубок оксида цинкаStudies оf Ice-forming Properties of Zinc Oxide Nanotube ClustersХучунаевБ. М.KhuchunaevB. М.

Хучунаев Бузигит Муссаевич, д-р физ.-мат. наук, зав. лаб.

г. Магас

Khuchunaev Buzigit Mussayevich, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Head of the Laboratory

Magas

buzgigit@mail.ruБудаевА. Х.BudaevA. H.

Будаев Алим Хадисович, МНС лаб.

г. Магас

Budaev Alim Hadisovich, Junior Researcher of the Laboratory of Clouds Microphysics

Magas

budayalim@yandex.ruТумгоеваХ. А.TumgoevaKh. A.

Тумгоева Хадижат Абукаровна, канд. физ.-мат. наук

г. Магас

Tumgoeva Khadizhat Abukarovna, Candidate of Physical and Mathematical Sciences

Magas

tumgoeva_75@mail.ruВысокогорный геофизический институтРоссияHigh-Mountain Geophysical InstituteRussian FederationИнгушский государственный университетРоссияIngush State UniversityRussian Federation202307042023016186Copyright © Хучунаев Б.М., Будаев А.Х., Тумгоева Х.А., 20232023Хучунаев Б.М., Будаев А.Х., Тумгоева Х.А.Khuchunaev B.М., Budaev A.H., Tumgoeva K.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://scienceit.elpub.ru/jour/article/view/610Введение

Введение. В последние годы в мире растет объем средств, используемых в практике активных воздействий (АВ) на облачные процессы. Серебро, основной компонент средств АВ, является довольно дорогим металлом. Поэтому вопрос снижения содержания серебра в рецептурах пиротехнических составов или использование других эффективных льдообразующих агентов является актуальным. Оксид цинка, как и иодид серебра, обладает льдообразующими свойствами. При возгонке цинка в среде водяного пара образуются кластеры из нанотрубок различных размеров. В связи этим экспериментальные исследования механизма льдообразования на кластерах из нанотрубок оксида цинка представляются актуальной задачей. Результаты этих исследований представлены в настоящей статье.

Материалы и методы исследований. При термической возгонке реагентов образуются наноразмерные частицы, которые объединяются в кластеры. Форма и размер этих кластеров, а также их льдообразующие свойства зависят от термодинамического состояния среды, в которой они образуются. Испытания льдообразующей эффективности таких реагентов должно проводиться в условиях таких же, как в облаках. В статье представлены результаты лабораторного моделирования образования кристаллов льда при взаимодействии кластеров оксида цинка, состоящих из нанотрубок, и результаты их сравнения с используемым на практике активных воздействий пиротехническим составом АД–1, который используется в противоградовых изделиях (ПГИ) типа «Алазань–6» и «Алазань–9» [1].

Результаты исследований и их обсуждение. В статье представлены аппаратура, методика проведения экспериментов по изучению льдообразующих свойств кластеров из нанотрубок оксида цинка, полученных в облачной камере при возгонке цинка в присутствии водяного пара. Эксперименты проводились на лабораторных установках в температурном диапазоне от –3 до –14 °С. Исследована эффективность реагента на основе кластеров из нанотрубок оксида цинка и проведено ее сравнение с эффективностью пиротехнического состава АД-1. Результаты исследований представлены в таблицах 1–6 и на рисунках 2–7.

Выводы

Выводы. В процессе лабораторных экспериментов выработана методика исследования льдообразующих свойств кластеров из нанотрубок оксида цинка. При возгонке пиротехнического состава АД–1 образуются частицы, имеющие диаметр от 20 нм до 400 нм с модальным значением 70 нм. Кластеры оксида цинка имеют пористую рыхлую структуру, маленькую плотностьи более крупные размеры, почти на два порядка превышающие размеры частиц йодистого серебра. На них формируются ледяные кристаллы бóльших размеров. Суммарная площадь кристаллов, образовавшихся на кластерах из нанотрубок оксида цинка, на порядок больше, чем суммарная площадь кристаллов, образовавшихся на частицах пиротехнического состава АД-1. Реагент, состоящий из кластеров оксида цинка, по льдообразующим характеристикам сравним с пиротехническим составом АД–1 и может быть рекомендован к практическому применению.

Introduction

Introduction. In recent years, the volume of funds used in the practice of weather modification has been growing in the world. Silver, the main component of weather modification funds, is a rather expensive metal. Therefore, the issue of reducing the silver content in the formulations of pyrotechnic compositions or the use of other effective ice-forming agents is relevant. Zinc oxide, like silver iodide, has ice-forming properties. When zinc is sublimated in water vapor, clusters of nanotubes of various sizes are formed. In this regard, experimental studies of the mechanism of ice formation on clusters of zinc oxide nanotubes seem to be an urgent task. The results of these studies are presented in this article.

Materials and research methods. During thermal sublimation of reagents nanoscale particles are formed. These particles combine into clusters. The shape and size of these clusters, as well as their ice-forming properties, depend on the thermodynamic state of the medium in which they are formed. Tests of the ice-forming efficiency of such reagents should be carried out in conditions in clouds. This article presents the results of laboratory modeling of the formation of ice crystals during the interaction of zinc oxide clusters consisting of nanotubes, and the results of their comparison with the pyrotechnic composition AD–1 used in practice of weather modification, which is used in anti-hail products of the type «Alazan–6» and «Alazan–9» [1].

Research results and their discussion. The article presents the equipment and methods of performing experiments to study the ice-forming properties of clusters of zinc oxide nanotubes obtained in a cloud chamber during zinc sublimation in the presence of water vapor. The experiments were carried out on laboratory installations in the temperature range from –3 to –14 °C. The effectiveness of a reagent based on clusters of zinc oxide nanotubes has been investigated and compared with the effectiveness of the pyrotechnic composition of AD–1. The research results are presented in Tables 1–6 and Figures 2–7.

Conclusions

Conclusions. In the course of laboratory experiments, a method for studying the ice-forming properties of clusters of zinc oxide nanotubes has been developed. When the pyrotechnic composition of AD–1 is sublimated, particles with a diameter from 20 nm to 400 nm with a modal value of 70 nm are formed. Zinc oxide clusters have a porous, loose structure, low density and larger sizes, almost two orders of magnitude larger than the sizes of silver iodide particles. Large ice crystals are formed on them. The total area of crystals formed on clusters of zinc oxide nanotubes is an order of magnitude larger than the total area of crystals formed on particles of the pyrotechnic composition AD–1. The reagent consisting of zinc oxide clusters is comparable in ice-forming characteristics to the pyrotechnic composition of AD–1 and can be recommended for practical use.

активные воздействияпиротехнический составреагентльдообразующие частицыоксид цинкакластеры из нанотрубоктемператураплощадь поверхностискорость ростаweather modificationpyrotechnic compositionreagentice-forming particleszinc oxidenanotube clusterstemperaturesurface areagrowth rateReferencesАбшаев А.М., Абшаев М.Т. и др. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Нальчик, 2014. 315 с.Abshaev A.M., Abshaev M.T. et al. Guidelines for the organization and conduct of anti-hail works. Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring (Roshydromet). Nalchik, 2014. 315 p. (In Russian).Аверкина А.С., Кондрашова Н.Б., Вальцифер В.А. Получение гибридных порошковых материалов AgI-SiO2, их свойства и применение в качестве осадкопреобразующих реагентов // Вестник Технологического университета. 2022. Т. 25. № 7. С. 31–37.Averkina A.S., Kondrashova N.B., Valcifer V.A. Obtaining hybrid powder materials AgI-SiO2, their properties and application as sedimentary reagents // Bulletin of the Technological University. 2022. Vol. 25. No. 7. P. 31–37. (In Russian).Аликин В.Н., Вахрушев А.В., Голубчиков В.Б., Ермилов А.С., Липанов А.М., Серебренников С.Ю. Твердые топлива реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 2011. 380 с.Alikin V.N., Vakhrushev A.V., Golubchikov V.B., Ermilov A.S., Lipanov A.M., Serebrennikov S.Yu. Solid propellants for jet engines. Moscow: Mashinostroenie, 2011. 380 p. (In Russian).Ватиашвили М.Р. Оценка влияния на окружающую среду йодистого серебра, применяемого в противоградовой защите // Наука. Инновации. Технологии. 2018. № 2. С. 7–24.Vatiashvili M.R. Assessment of the environmental impact of silver iodide used in anti-hail protection // Science. Innovations. Technologies. No. 2. 2018. P. 7–24. (Russian).Гаджиева М.М. Содержание йода в атмосферных осадках в районе активных воздействий // Тр. ВГИ, 1987. Вып. 69. С. 87–92.Gadzhieva M.M. Iodine content in atmospheric precipitation in the area of active influences // Tr. VGI, 1987. Issue 69. P. 87–92. (In Russian).Данелян Б.Г., Абшаев М.Т., Абшаев А.М., Аджиев А.Х., Иванов В.Н., Дрофа А.С., Козлов В.Н. РД 52.11.850–2016. Термины и определения в области активных воздействий на гидрометеорологические процессы и явления / Введ. 2016-07-04. М.: ЦАО, 2016. 44 с.Danelyan B.G., Abshaev M.T., Abshaev A.M., Adzhiev A.H., Ivanov V.N., Bustard A.S., Kozlov V.N. RD 52.11.850–2016. Terms and definitions in the field of active impacts on hydro-meteorological processes and phenomena / Introduction. 2016-07-04. Moscow: CAO, 2016. 44 p. (In Russian).Деннис А. Изменение погоды засевом облаков / пер. с англ. А.В. Лысака, Е.Д. Стукина. М.: Мир, 1983. 272 с.Dennis A. Changing the weather by seeding clouds / Translated from English by A.V. Lysaka, E.D. Stukina. M.: Mir, 1983. 272 p. (In Russian).Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 455 с.Kachurin L.G. Physical bases of influence on atmospheric processes. L.: Hydrometeoizdat, 1978. 455 p. (In Russian).Ким Н.С., Корнеев В.П., Петрунин А.М., Частухин А.В., Воронин Е.Ф. Исследование эффективности наноразмерных порошкообразных льдообразующих реагентов // Гидрометеорология и экология. 2020. № 58. С. 31–40.Kim N.S., Korneev V.P., Petrunin A.M., Chastukhin A.V., Voronin E.F. Investigation of the effectiveness of nanoscale powdered ice-forming reagents // Hydrometeorology and ecology. 2020. No. 58. P. 31–40. (In Russian).Ким Н.С., Корнеев В.П., Частухин А.В., Щукин Г.Г. Экологические аспекты российских технологий активных воздействий на облака // Ученые записки РГГМУ. 2016. № 46. С. 91–99.Kim N.S., Korneev V.P., Chastukhin A.V., Shchukin G.G. Ecological aspects of Russian technologies of active impacts on clouds // Scientific Notes of RSMU. 2016. No. 46. P. 91–99. (In Russian).Ким Н.С., Шилин А.Г., Поносов В.С., Резников М.С., Шакиров И.Н., Несмеянов П.А., Дубинин Б.Н., Стасенко В.Н., Корнеев В.П. Пиротехнический состав для активного воздействия на переохлажденные облака и туманы // Патент на изобретение RU 2309439 C1, 27.10.2007. Заявка № 2006121150/28 от 14.06.2006.Kim N.S., Shilin A.G., Ponosov V.S., Reznikov M.S., Shakirov I.N., Nesmeyanov P.A., Dubinin B.N., Stasenko V.N., Korneev V.P. Pyrotechnic composition for active exposure to supercooled clouds and fogs // Patent for invention RU 2309439 C1, 27.10.2007. Application No. 2006121150/28 dated 14.06.2006. (In Russian).Клочко Н.П., Хрипунов Г.С., Мягченко Ю.А., Мельничук Е.Е., Копач В.Р., Клепикова Е.С., Любов В.Н., Копач А.В. Управление морфологией и свойствами наноструктур оксида цинка, изготавливаемых методом импульсного электрохимического осаждения // Журнал нанота електронної фізики. 2014. № 4. С. 21–29.Klochko N.P., Khripunov G.S., Myagchenko Yu.A., Melnichuk E.E., Kopach V.R., Klepikova E.S., Lyubov V.N., Kopach A.V. Management of morphology and properties of zinc oxide nanostructures manufactured by pulsed electrochemical deposition // Journal of nano and electronic physics. 2014. No. 4. P. 21–29. (In Russian).Колосков Б.П., Корнеев В.П., Щукин Г.Г. Методы и средства модификации облаков, осадков и туманов: моногр. СПб., 2012. 341 с.Koloskov B.P., Korneev V.P., Shchukin G.G. Methods and means of modification of clouds, precipitation and fogs: monogr. SPb., 2012. 341 p. (In Russian).Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ. М.: Химия, 2000. 480 с.Lidin R.A., Molochko V.A., Andreeva L.L. Chemical properties of inorganic substances. M.: Chemistry, 2000. 480 p. (In Russian).Никулин В.Н., Чукин В.В., Садыкова А.Ф. Экспериментальные установки для исследования образования льда в атмосфере // Ученые записки РГГМУ. 2015. № 38. С. 102–112.Nikulin V.N., Chukin V.V., Sadykova A.F. Experimental installations for the study of ice formation in the atmosphere // Scientific notes of RSHMU. 2015. № 38. P. 102–112. (Russian).Таппасханов В.О., Хучунаев Б.М., Тлисов М.И., Хучунаев А.Б., Куповых Г.В. Предварительные результаты исследования конденсационных и льдообразующих свойств нанотрубок AgI и оксида цинка // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. № 6. 2014. С. 40–43.Tappaskhanov V.O., Khuchunaev B.M., Tlisov M.I., Khuchunaev A.B., Kupovykh G.V. Preliminary results of the study of condensation and ice-forming properties of AgI nanotubes and zinc oxide // News of universities. North Caucasus region. No. 6. 2014. P. 40–43. (In Russian).Хучунаев Б.М., Куповых Г.В., Ташилова А.А., Теунова Н.В., Хучунаев А.Б., Будаев А.Х. Исследование льдообразующих свойств нанотрубок оксида цинка // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2018. № 4. С. 111–115.Khuchunaev B.M., Kupovykh G.V., Tashilova A.A., Teunova N.V., Khuchunaev A.B., Budaev A.H. Investigation of ice-forming properties of zinc oxide nanotubes // News of universities. North Caucasus region. 2018. No. 4. P. 111–115. (In Russian).Шилин А.Г., Хучунаев Б.М. Возможности увеличения эффективности пиротехнических генераторов льдообразующего аэрозоля // Наука. Инновации. Технологии. 2022. № 1. С. 87–110.Shilin A.G., Khuchunaev B.M. Possibilities of increasing the efficiency of pyrotechnic generators of ice-forming aerosol // Science. Innovations. Technologies. No. 1. 2022. P. 87–110. (In Russian).Шилин В.А. Исследование процессов образования гляциогенных аэрозолей из систем с пониженным содержанием серебра: дис. … канд. ф.-м. наук: 25.00.30. Нальчик, 2018. 129 с.Shilin V.A. Investigation of the formation of glaciogenic aerosols from systems with a reduced silver content / dis. for the degree of Candidate of Sciences: 25.00.30. N., 2018. 129 p. (In Russian).Fukuta N. Paik Y. Water adsorption and ice nucleation on silver iodide surfaces // J. Appl. Phys. 2014. V. 141. P. 1092–1100.Fukuta N. Paik Y. Water adsorption and ice nucleation on silver iodide surfaces // J. Appl. Phys. 2014. No. 141. P. 1092–1100.Khuchunaev B., Baysiev Kh-M., Gekkieva S., Budaev A. Researches of ice-forming efficiency of products of sublimation of pyrotechnic compositions consisting of Silver Iodide particles and Zinc Oxide nanotubes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. 1083. 012097.Khuchunaev B., Baysiev Kh-M., Gekkieva S., Budaev A. Researches of ice-forming efficiency of products of sublimation of pyrotechnic compositions consisting of Silver Iodide particles and Zinc Oxide nanotubes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. 1083. 012097.Pascal T.A., Goddard W.A., Jung Y. Entropy and the driving force for the filling of carbon nanotubes with water. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011. Jul 19; 108(29):11794-8. doi: 10.1073/pnas.1108073108. Epub 2011 Jun 27. PMID: 21709268; PMCID: PMC3141970Pascal T.A., Goddard W.A., Jung Y. Entropy and the driving force for the filling of carbon nanotubes with water. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011. Jul 19; 108(29):11794-8. doi : 10.1073/pnas.1108073108. Epub 2011 Jun 27. PMID: 21709268; PMCID: PMC3141970

The authors declare that there are no conflicts of interest present.