Исследования льдообразующих свойств кластеров из нанотрубок оксида цинка

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. 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.

1. Абшаев 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.

2. 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.

3. 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.

4. Ватиашвили М.Р. Оценка влияния на окружающую среду йодистого серебра, применяемого в противоградовой защите // Наука. Инновации. Технологии. 2018. № 2. С. 7–24.

5. Гаджиева М.М. Содержание йода в атмосферных осадках в районе активных воздействий // Тр. ВГИ, 1987. Вып. 69. С. 87–92.

6. 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.

7. Деннис А. Изменение погоды засевом облаков / пер. с англ. А.В. Лысака, Е.Д. Стукина. М.: Мир, 1983. 272 с.

8. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 455 с.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Колосков Б.П., Корнеев В.П., Щукин Г.Г. Методы и средства модификации облаков, осадков и туманов: моногр. СПб., 2012. 341 с.

14. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ. М.: Химия, 2000. 480 с.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Шилин А.Г., Хучунаев Б.М. Возможности увеличения эффективности пиротехнических генераторов льдообразующего аэрозоля // Наука. Инновации. Технологии. 2022. № 1. С. 87–110.

19. 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.

20. Fukuta N. Paik Y. Water adsorption and ice nucleation on silver iodide surfaces // J. Appl. Phys. 2014. V. 141. P. 1092–1100.

21. 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.

22. 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: PMC3141970