Все природные явления в мире делятся на химические и физические. При первых образуется новое вещество: например, при горении выделяется углекислый газ. При физических явлениях соединение не образуется, но изменяется состояние уже имеющегося. Так, когда вода испаряется, она переходит из жидкого состояния в газообразное — пар.
Специалисты в вычислительной химии изучают эти явления при помощи компьютерных моделей. Авторы работы исследуют процессы самоорганизации на поверхности, в частности особенности поведения поверхностных молекулярных монослоев из смеси молекул разного типа. Ранее авторы начали исследования простейшей модели адсорбционной системы, в которой одно вещество поглощает молекулы другого, находящиеся рядом с ним. Это происходит, потому что силы межмолекулярного воздействия на границе этих двух веществ неравны, так что одно из них может разорвать внутренние связи между частицами другого и «утянуть» их к себе.
Авторы изучили модельную систему, в которой поглощение происходит между двумя газами на поверхности с квадратной симметрией. Ее можно сравнить с шахматным полем: все клетки одинаковые и находятся в строгом порядке, а фигуры, которыми в этом случае и являются молекулы газов, могут занять только одну клетку. При этом газы взаимодействуют друг с другом, отталкивая либо притягивая друг друга.
«Существует бесконечное количество наборов межмолекулярных взаимодействий, и нашей задачей было сгруппировать их в соответствии с особенностями фазового поведения адсорбционного монослоя», — рассказал один из авторов статьи Василий Фефелов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник кафедры «Химическая технология» Нефтехимического института ОмГТУ.
Адсорбционный монослой — это слой, который состоит из «прилипших» к поверхности молекул из газовой смеси. На нем могут формироваться упорядоченные структуры в зависимости от концентраций молекул в газе и их взаимодействий.
В ходе работы ученые выяснили, что у отталкивающих сил есть 14 типов фазовых диаграмм, а у притягивающих — 12. Также существует адсорбция невзаимодействующих газов разного типа: молекулы взаимодействуют только с представителями своего сорта. В этой группе ученые увидели шесть разных типов диаграмм.
Авторы отмечают, что работа носит фундаментальный характер, однако, несмотря на это, ее результаты перспективны для разных областей науки и техники. Так, ученые показывают перспективы высокоточного адсорбционного оборудования, которое позволит менять химические потенциалы, изменяя, например, концентрацию газовых компонентов, с точностью, соизмеримой с энергиями межмолекулярных взаимодействий. Это приведет к качественным изменениям протекающих химических реакций: ускорению и повышению избирательности при одновременном снижении температуры. К такому оборудованию относятся микрореакторы, которые позволяют комбинировать отдельные базовые устройства (смесители, теплообменники) в одной системе.
«Полученные результаты могут быть полезны для интерпретации экспериментальных данных газоразделения, процессов молекулярной самосборки на поверхности, ускорения реакций при низких температурах», — добавил Василий Фефелов.
