Томские ученые создали математическую модель, которая поможет оптимизировать синтез сложных химических соединений. Она позволит не только найти оптимальные режимы получения дорогостоящих композитов, которые найдут применение в машиностроении, энергетике, химической отрасли, но и существенно продвинуться в создании новой макрокинетической теории. Разработкой занимались научные сотрудники Томского научного центра Сибирского отделения (ТНЦ СО) РАН.

Математическое моделирование — это научный подход, в основе которого лежит построение и использование модели исследуемого объекта. С его помощью ученые сокращают длительность работ и экономят средства за счет прогнозов «поведения» объекта в будущем. Математические модели используются во многих областях научного знания, дополняя результаты экспериментов.

Томские ученые предложили математическую модель для исследования процессов двухстадийного механохимического синтеза неорганических веществ в режиме волнового горения. Ранее другими научными коллективами уже создавались подобные математические модели, но они учитывали крайне ограниченное число параметров.

«Нашему научному коллективу удалось построить сложную модель, которая комплексно описывает такие факторы влияния предварительной механообработки на механосинтез конечного продукта, как формирование межфазной поверхности, температуру процессов, образование различных дефектов, начальное механохимическое превращение, истирание инертного вещества с рабочих поверхностей механоактиватора», — сказал заведующий лабораторией математического моделирования физико-химических процессов в гетерогенных системах, один из авторов исследования Олег Лапшин.

Построение такой модели позволит существенно продвинуться вперед и в создании новой макрокинетической теории, над которой работают исследователи ТНЦ СО РАН.

С ее помощью ученые смогут детально проследить, какое влияние на дальнейший синтез вещества в волне горения и на качество конечного продукта оказывает предварительная механоактивация — процесс образования вещества с большей химической активностью благодаря предварительной механической обработке. Большое значение имеет выбор параметров измельчения исходной смеси: например, при непродолжительной механоактивации смесь может не загореться, а при слишком долгом измельчении будут образовываться побочные продукты, негативно влияющие на процесс синтеза вещества.

Широкий класс неорганических соединений, получаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, применяется в медицине, авиационной и космической технике. Сначала сырье измельчают в специальной шаровой мельнице, а синтез нужного композита происходит в волне горения. Достоинствами такого метода получения материалов являются экономичность и экологичность.

Например, изделия на основе TiNi (никелида титана) используются в качестве ответственных компонентов для морских глубоководных исследовательских аппаратов, в сплавах с эффектом памяти формы, применяются в производстве соединительных муфт трубопроводов, пожарных датчиков, в рабочих элементах термозапорных клапанов, в микроэлектрических системах  и т.д.

Силициды ниобия (химические сплавы, которые сочетают в себе кремний и ниобий) используются в качестве катализаторов. Покрытия, разработанные на их основе, благодаря высокой окислительной стойкости находят применение в аэрокосмической технике и производстве энергетического оборудования. Высокотемпературные композиты системы силицидов ниобия  могут быть успешно использованы для изготовления деталей горячего тракта новых газотурбинных двигателей.

В настоящий момент в ТНЦ СО РАН  в тесном сотрудничестве с учеными-механохимиками из Новосибирска академиком РАН Владимиром Болдыревым и профессором Еленой Болдыревой развивается макроскопический подход для теоретического описания механохимического синтеза в гетерогенных системах. В дальнейшем такой подход планируется распространить и на другие механохимические реакции, включая реакции разложения и сложные стадийные превращения, а также для описания органических механически активированных реакций.