Поиск - новости науки и техники

Отнять и изучить. Лазерное излучение раскрывает тайны вещества.

Заведующая лабораторией макрокинетики неравновесных процессов кандидат физико-математических наук Екатерина БАРМИНА из Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН с легкостью заставляет жидкости “выпускать пар”. Нет, это не банальное испарение, а распад вещества с образованием составляющих элементов, которые выходят в виде газов. Для этого молодой ученый зажигает факелы, и не простые, а наноплазменные. Более того, Бармина умеет объединять их. Все очень просто, считает молодой ученый, – достаточно направить лазерный луч в нужное место. Кстати, такая технология поможет решить и некоторые энергетические проблемы, например, получить большое количество самого легкого горючего – водорода. Недаром девушка в очередной раз получает на свои исследования грант Президента РФ.

– Екатерина Владимировна, чем интересна ваша тема? 

– Лазерная абляция твердых тел в жидкостях – это один из методов генерации разных наночастиц. Слово “абляция” происходит от латинского ablatio, что значит “отнятие”. В общем случае это – удаление материала мишени под действием лазерного излучения. В наших экспериментах лазерный пучок фокусируется на твердой мишени, погруженной в жидкость. При плотности энергии, превышающей порог плавления материала мишени, на ней возникает тонкий слой расплава, который под давлением паров окружающей среды распыляется в окружающую жидкость в виде наночастиц. В качестве жидкостей обычно используется вода, широко применяются и органические растворители, например, спирты. 

При лазерной абляции твердых тел в жидкостях над мишенью образуется плазменный факел. При воздействии инфракрасного лазерного излучения на коллоидные растворы наночастиц возбуждение плазмы происходит вокруг отдельных наночастиц в области перетяжки пучка, где его диаметр минимален. Если интенсивность падающего излучения достаточна для нагрева наночастицы до температур в несколько десятков тысяч градусов, то возможна ионизация части атомов. Когда плотность электронов достигает критического значения, достаточного для развития электронной лавины, происходит образование плазмы, которая называется “наноплазмой” благодаря своей локализации в небольшой области в окрестности наночастицы. 

При определенных экспериментальных условиях (высокая частота следования импульсов) возможно объединение плазменных факелов, возникающих на отдельных наночастицах. В таких случаях в жидкости происходит лазерный пробой – сильный перегрев и ионизация внутри пучка. В результате как в рабочей жидкости, так и в самой мишени происходят химические изменения состава.

Недавно было установлено, что при воздействии лазерного излучения на водные растворы наночастиц возможно также образование водорода. Он образуется из-за диссоциации воды под действием электронного удара в случае, если энергия электронов составляет более 16 электронвольт. Таким образом, разложение воды не зависит от материала наночастиц, играющих в этом процессе роль примесей, на которых образуется лазерная плазма.

– С какими жидкостями вы работаете? Они имеют научное или прикладное значение?

– Особенность проекта – генерация молекулярного водорода из спиртов. Известно, что, например, ряд стран Южной Америки имеет огромные запасы метанола, который они производят из древесины с помощью перегонки. Проводились исследования по спиртосодержащим жидкостям, и выяснилось, что максимальное выделение водорода происходит как раз при лазерном облучении жидкого метанола. На других спиртах –  например, изопропаноле и этаноле – меньшие скорости генерации водорода. Но во всех этих случаях выход водорода на порядок больше по сравнению с лазерным облучением воды. Поэтому, рассматривая прикладное значение исследований проекта, основной упор стоит делать именно на изучении процессов взаимодействия лазерного излучения с органическими жидкостями. 

– Почему вы решили заняться конкретно этой темой? 

– Большая часть используемой человечеством энергии получается при переработке угля, нефти или природного газа. Это приводит не только к истощению природных ресурсов, но и к загрязнению окружающей среды. Поэтому сегодня актуален поиск экологически чистого энергоносителя, высокоэффективного и дешевого. В идеале это вещество должно быть легкодоступным и неисчерпаемым как ресурс. Это объясняет интерес к водороду как к альтернативному источнику энергии. 

Самое перспективное применение водорода в энергетической сфере –  использование его в электрохимических устройствах, топливных элементах. На мой взгляд, будущие исследования должны быть нацелены в основном на поиск альтернативных источников водорода. 

Сейчас самым эффективным считается метод паровой конверсии природного газа. Этим способом производятся примерно 90-95% всего водорода. Другие методы – газификация угля, электролиз воды, получение водорода из биомассы.

Цель нашего проекта – исследование нового, потенциально возможного способа получения водорода, основанного на принципе выделения газов при облучении воды и органических спиртов ионизирующим излучением плазмы, которая возникает при лазерном облучении жидкостей. 

В качестве источников мы используем лазеры наносекундной длительности (фиксированная длительность импульса – 10 наносекунд) с высокой энергией в импульсе – от 2 до 700 мегаджоулей, различной частотой повторения – от десяти до десяти тысяч герц. Для того чтобы возникал лазерный пробой, необходима мощность лазерного излучения в один импульс от ста тысяч до ста миллионов ватт. Поэтому для проведения экспериментов подходят не все лазерные источники. 

Еще раз напомню: лазерный пробой – это возникновение электронной лавины и плазмы в среде под действием лазерного излучения. Сфокусированное лазерное излучение взаимодействует с наночастицами, которые находятся в жидкости (коллоидном растворе), те, в свою очередь,  поглощают излучение и начинают плавиться. Вокруг жидкой наночастицы из-за разницы температур и давления возникает парогазовая оболочка, которая ионизируется под действием лазерного пучка, другими словами, возникает электронная лавина, то есть появляются свободные электроны. Это и есть плазма. Типичный пример лазерного пробоя показан на рисунке 1.

– Что представляют собой сеансы эксперимента? Как часто их проводите, что узнаете каждый раз?

– В экспериментах мы используем различные лазерные источники, их излучение взаимодействует с органическими жидкостями и водой. Для регистрации водорода и кислорода используем амперометрические датчики, принцип действия которых основан на потенциале восстановления ионов. Эксперимент выглядит следующим образом. Стеклянная кювета заполняется жидкостью. Дно кюветы – прозрачное плоское стекло, через которое лазерное излучение проходит в рабочий раствор. Перед кюветой находится линза, фокусирующая пучок. В перетяжке лазерного излучения возникают пробой и затем диссоциация молекул жидкости под действием электронного удара плазмы на наночастицах в жидкости. 

Датчики кислорода и водорода находятся сверху – после прохождения выделяемых газов через азотную ловушку. Ловушка нужна для того, чтобы провести селекцию газов, так как при лазерном облучении органических жидкостей кроме водорода и кислорода также выделяются этилен и другие органические газы. Схема установки представлена на рисунке 2.

В рамках одной серии экспериментов, которая длится в среднем неделю, мы исследуем зависимость парциального давления выделяемых газов от концентрации наночастиц, плотности энергии лазерного излучения и рода жидкости.

– Есть ли у вас представление о предстоящих результатах? 

– Почти за год выполнения проекта мы получили результаты, не только касающиеся генерации водорода и кислорода в различных органических жидкостях, но также данные по образованию перекиси водорода в воде. Здесь следует отметить, что при диссоциации воды происходит выделение молекулярного водорода и атома кислорода, которые впоследствии объединяются до молекулярного кислорода. Таким образом, соотношение (стехиометрический состав) между водородом и кислородом должно составлять 2:1. 

В ряде экспериментов было несоответствие стехиометрии между выделяемыми водородом и кислородом. Поэтому мы предположили, что часть кислорода идет на формирование других химических продуктов при лазерном воздействии на воду. В результате установили, что в самой рабочей жидкости образуется перекись водорода. С одной стороны, это ожидаемый результат, так как известны эксперименты по производству перекиси в воде под действием УФ-излучения, с другой, – в нашем случае происходит диссоциация молекул воды при лазерном пробое. Этому есть объяснение. Часть формирующейся плазмы имеет энергию электронов близких к ультрафиолетовому диапазону, поэтому появляются условия для образования перекиси водорода. 

Второй результат работы – это экспресс-анализ лазерных пробоев на основе регистрации их интенсивности и фотосъемки. При определенных интенсивностях происходит максимальное выделение молекулярных газов. Это помогает быстро оптимизировать параметры эксперимента (фокусировка, частота следования импульсов, концентрация наночастиц) и достичь наилучших результатов.

Фирюза ЯНЧИЛИНА

Иллюстрации предоставлены Е.Барминой

 

Нет комментариев