Нанопорошки представляют собой мельчайшие частицы, размером менее 100 нанометров (такова, например, длина вируса). При переходе к таким маленьким размерам резко меняются многие характеристики частиц: например, сильно уменьшается температура их плавления, теплота испарения, энергия ионизации; вместе с этим возрастает химическая активность. Благодаря таким свойствам нанопорошки широко применяются в качестве исходного материала при изготовлении сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, красящих и магнитных пигментов, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев, керамических и композиционных материалов, а также во многих других областях. Однако при производстве возникает ряд сложностей. Так, нанопорошки металлов пирофорны, то есть способны самовоспламеняться при контакте с воздухом. Такой эффект возникает из-за их высокой химической активности и большой удельной поверхности частиц. Для того, чтобы сделать производство и хранение безопасными, нанопорошки пассивируют. Пассивация — это создание тонкой защитной пленки на поверхности наночастиц, которая препятствует их самовозгоранию. Однако эти процессы на сегодняшний день мало изучены. Российские ученые из Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А. Г. Мержанова РАН (Черноголовка) совестно с коллегами из Института металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН (Москва) провели ряд экспериментальных и теоретических исследований в этой области.
Ученые экспериментально изучили пассивацию компактных образцов, спрессованных в инертной среде газа аргона, из пирофорных нанопорошков железа и никеля. Исследователи измеряли временную зависимость распределения температуры по поверхности образца с помощью инфракрасной камеры. В ходе экспериментов удалось выяснить, что нагрев спрессованного образца не равномерен: максимальная температура уменьшается с увеличением плотности образца, а процесс окисления ограничен подачей воздуха. Взаимодействие с воздухом интенсивнее всего происходит на поверхности и зависит от длительности нахождения образца на воздухе. Ученые также провели теоретический анализ, результаты которого качественно согласовывались с экспериментальными данными.
«Актуальность проделанной работы заключается в создании новых научно обоснованных методов пассивации нанопорошков металлов, позволяющих обеспечивать необходимый уровень технологической безопасности, при этом долговременно сохраняя уникальные физико-химические свойства наночастиц, — рассказывает Михаил Алымов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, директор Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А. Г. Мержанова РАН (ИСМАН). — Исследования направлены на снижение риска возникновения техногенных аварий при производстве, переработке, транспортировке и хранении нанопорошков, и соответственно, на обеспечение безопасности людей, работающих в этой сфере».