Статья опубликована в седьмом номере журнала «НБИКС-Наука.Технологии» 

http://nbiks-nt.ru/wp-content/uploads/2019/07/NBIKS-NT-7.pdf

Ал.Ал. Берлин

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН

Berlin@chph.ras.ru

Мы часто, занимаясь наукой, переходим от фундаментальных исследований, которыми двигает наше любопытство, к решению прикладных задач, которые от нас требует промышленность, и наоборот, решая прикладные проблемы, сталкиваемся с чисто научными, фундаментальными загадками. Вот о нескольких таких примерах из собственной жизни я и напишу.

I. Сегодня мы регулярно видим рекламу «полиоксидония» – синтетического иммуностимулятора. А начиналось все с чисто академического, фундаментального исследования полимеризации азотсодержащих циклов (рис. 1). У нас с моим другом, Е.Ф. Разводовским был аспирант А.В. Некрасов, потом основавший фирму, выпускающую полиоксидоний. Когда мы начинали эту работу по полимеризации, нас удивило, что процесс проявляет все признаки безобрывной катионной полимеризации (рост молекулярного веса полимера пропорционально выходу продукта рис. 2) даже в спиртовой или водной среде. До того времени были известны лишь процессы анионной безобрывной («живущей») полимеризации виниловых мономеров, которые требовали тщательной очистки от ничтожных примесей воды, ингибирующей процесс.

Рис. 1

Оказалось, что такая нечувствительность к воде связана со строением активного центра полимеризации (четвертичная аммонийная соль) и мономера, который является более сильным нуклеофилом, чем вода, и не дает последней конкурировать в реакции с активным центром. Важно, что благодаря особенностям «живущей» полимеризации удавалось получать полимеры с узким молекулярномассовым распределением. И это обстоятельство способствовало успеху применения в качестве лекарственного препарата.

Рис. 2

Затем, А.В. Некрасов под руководством В.А. Кабанова модифицировал этот полимер и получил полиоксидоний (рис. 3).

Рис. 3

II. Наши работы по реакторам являются ярким примером блуждания между научным любопытством и решением прикладных задач.

Все начиналось с чисто прикладной задачи, когда директор завода катализаторов Салаватского нефтехимического комбината пригласил нас с К.С. Минскером помочь ему решить чисто прикладную задачу – оптимизировать работу плохо работающего реактора олигомеризации изобутилена. Казалось, там все было ясно, и проектанты считали, что они спроектировали реактор идеального смешения, поскольку время пребывания в реакторе было сравнимо со временем выделения тепла химической реакции, которое (тепло) необходимо было отводить из реактора.

Первое, что мы стали делать по просьбе Минскера, это попробовали построить математическую модель процесса на основе известных из литературы кинетических данных. И тут оказалось, что основные постулаты, заложенные проектантами неверны, т.е. нет реактора идеального смешения – реакция идет очень быстро при смешении катализатора с раствором мономера непосредственно в области их смешения (рис. 4).

Рис.4

После этого стало ясно, что необходимо принципиально сменить конструкцию реактора. Теперь вместо реактора как бы идеального смешения, лучше сделать реактор как бы идеального вытеснения (рис. 5), но затем много усилий и времени понадобилось, чтобы найти оптимальные геометрию реактора и условия проведения процесса (скорость течения, концентрации реагентов, температура и пр.).

Рис. 5

Затем оказалось, что возникают сложности при проведении не слишком быстрых процессов, когда реактор приходилось делать слишком длинным для завершения процессов смешения реагентов (мономеров, катализатора и пр.) и самой реакции. Другими словами, возникла необходимость понимать, ускорять и управлять процессом смешения как в однофазных, так и в двухфазных системах. И тут опять понадобилась «чистая наука» – на самом деле, просто моделирование течение двухфазных систем и их перемешивание. Принципиально новым при этом оказалось сменить конструкцию реактора вытеснения от гладкой трубы к диффузор-конфузурной геометрии (рис. 6).

Рис. 6

Все это время наука (любопытство) и прикладные интересы (запрос промышленности) были рядом. Думаю это и определило успех – внедрение в промышленность, получение премий и пр. (рис. 7).

Рис. 7

Развитие идеи диффузор-конфузурного реактора для двухфазных систем, когда реакция идет на границе фаз, оказалось очень плодотворным. В частности, для реакции омыления растительных масел щелочью (система масло - водная щелочь) (рис. 8) применение нового реактора позволило существенно сократить время производства, снизить энерго- и трудозатраты, уменьшить металлоемкость, сделать технологию фактически безотходной.

Рис. 8

Математическое моделирование течения двухфазной системы в таком реакторе (рис. 9) как и в каком месте реактора и насколько увеличивается поверхность раздела фаз, а, следовательно, и скорость реакции и создало предпосылки оптимизации геометрии реактор и условий проведения процесса.

Рис. 9

III. Какое-то время мы активно занимались проблемой снижения горючести полимерных материалов. Это очень важная прикладная проблема, поскольку большинство пожаров сегодня связано со всё возрастающим применением различных полимерных материалов в строительстве, транспорте и пр.

Обычно для снижения горючести полимеров (склонности к загоранию под действием внешних источников тепла) к ним добавляют специальные добавки, антипирены, снижающие горючесть материала. Однако эти добавки часто ухудшают механические свойства материала, например, пластифицируют полимер, т.е. делают его мягче и снижают его температуру эксплуатации. Кроме того, эти добавки могут «выпотевать» из материала в процессе его эксплуатации.

Для того чтобы избавиться от этих нежелательных эффектов антипирены стали помещать в некоторые непроницаемые оболочки – инкапсулировать. Совершенно неожиданно оказалось, что в ряде случаев эффективность такого микрокапсулированного антипирена существенно возрастала, а иногда вообще достаточно инертное соединение в микрокапсулированном виде становилось хорошим антипиреном. И такой эффект наблюдался для сравнительно низкокипящих жидкостей (рис. 10).

В чем же было дело? При нагревании материала, содержащего микрокапсулированный антипирен, жидкость внутри микрокапсулы перегревалась и капсула взрывалась (рис. 11). Если это происходило до начала разложения основного полимера (матрицы), то твердые частицы матрицы разлетались, и не образовывалось горючих газов, и нечему было гореть. А в газовую фазу попадал антипирен, который мог гасить внешнее пламя. Так что такой материал оказывался не только негорючим, но еще и огнегасящим. Эффект существенно зависел от размера капсул и их количества (рис. 12).

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

IV. Теперь приведем пример, когда из чисто фундаментального исследования появилась возможность решать важную прикладную задачу.

Теоретики в нашем институте (Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН) изучали, в частности, орбитально вырожденные комплексы с движущимся на больших расстояниях от центра масс электроном – ридберговские комплексы (рис. 13).

Рис. 13

Эти комплексы образуются за счет неупругих столкновений медленных электронов с нейтральными молекулами среды (азота и кислорода). Причем частоты переходов между электронными состояниями таких комплексов соответствуют радиочастотам, в том числе на которых работают спутниковые системы навигации (GPS и пр., ГГц). Выяснилось, что такие комплексы появляются в верхней атмосфере (D и E слои) тогда, когда на землю приходит солнечный ветер, содержащий электроны (рис. 14).

Рис. 14

В это время сигнал от спутника GPS начинает резонансно поглощаться и излучаться ридберговскими комплексами, при этом задерживаясь по времени и искажаясь по частоте. В результате сигнал может пропадать или неправильно показывать ваше расположение. Таким образом, стали понятны многие наблюдаемые эффекты нарушения связи GPS.

V. Обратный пример, когда случайное экспериментальное наблюдение привело к развитию нового направления.

Для переработки полимеров используется специальная машина – экструдер (типа мясорубки), в которой расплав полимера выдавливается через особую головку в виде стержня, пленки или бруска необходимого профиля. Корпус экструдера обогревается для расплавления полимера. И вот однажды, кто-то выключил обогрев. Температура в экструдере стала понижаться, вязкость полимера нарастать. В конце концов, по мнению специалистов по переработки полимеров, экструдер должен бал сломаться.

А на самом деле при определенных температурных условиях, усилие на шнеке уменьшилось и из него посыпался тонкий порошок полимера (рис. 15).

Рис. 15

Рис. 16

Таким образом, совершенно случайно был открыт новый высокотемпературный способ измельчения полимеров. До этого для измельчения полимеров использовали его охлаждение до хрупкого состояния, что требует значительных энергетических затрат. Получение тонкого порошка из полимерных отходов (сельскохозяйственная пленка, изношенные шины, полимерная тара, бутылки и пр.) один из наиболее эффективных способов решения экологической проблемы засорения окружающей среды. Сегодня уже построены заводы по измельчению шинной резины и получению резинового порошка для модификации асфальта. Впереди еще много новых применений этого способа измельчения (рис. 16).

Литература

1. В.А. Кабанов, Избранные труды, М. Наука, 2010, с. 374-377.

2. Е.Ф. Разводовский, Ал.Ал. Берлин, А.В. Некрасов, Л.М. Пущаева, Н.Г. Пучкова, Н.С. Ениколопян // Высокомолекулярные соединения, 1973, Т. 15, № 10, С. 2219.

3. E.F. Razvodovskii, Al.Al. Berlin, A.V. Nekrasov et al. // J. Macromol.Sci.Chem. 1984, Vol. 8, N 2, P. 241.

4. Н.Г. Пучкова, А.В. Некрасов, Е.Ф. Разводовский, Б.С. Эльцефон // Высокомолекулярные соединения, 1980, Т. 22, № 6, С. 1281.

5. А.В. Некрасов, Н.Г. Пучкова // Высокомолекулярные соединения, 1983, Т. 25, № 9, С. 691.

6. Ал.Ал. Берлин, К.С.Минскер К.М.Дюмаев, Новые унифицированные энерго- и ресурсосберегающие высокопроизводительные технологии повышенной экологической чистоты на основе трубчатых турбулентных реакторов, ОАО НИИТЭХИМ, Москва, 1996

7. Al.Al.Berlin, K.S.Minsker, Fast Polymerization Processes, Gordon and Breach Publishers, US 1996.

8. Minsker K.S., Berlin A.A., Zakharov V.P., Zaikov G.E., Fast Liquid-Phase Processes in Turbulent Flows, VSP, Utrecht, Boston, 2004

9. В.П. Захаров, Ал.Ал. Берлин, Ю.Б. Монаков, Р.Я. Дебердеев, Физико-химические основы протекания быстрых жидкофазных процессов, Наука, 2008.

10. Alexander Al. Berlin, Rustam Ya. Deberdeev, German S. Dyakonov, Yuri B. Monakov, Vadim P. Zakharov, Fast Chemical Reactions in Turbulent Flows: Theory and Practice, Smithers Rapra Technology of Shawbary, Shrewsbure, Shropshire, SY4 4NR, UK, 2013.

11. В.П. Захаров, А.А. Берлин, Г.С. Дьяконов, Р.Я. Дебердеев, Быстрые химические реакции в турбулентных потоках; ; Казань, Из=во КНИТУ, 2016.

12. Ал.Ал. Берлин, С.А. Патлажан, И.В. Кравченко, К.Ю. Прочухан, Ю.А. Прочухан, Интенсификация быстрых химических процессов на межфазных границах двухкомпонентных жидких сред в трубчатых турбулентных реакторах, Химическая физика, 2019, том 38, № 1, с. 19–26.

13. К. Ю. Прочухан, Ал. Ал. Берлин, Ю. А. Прочухан, Диспергирование гетерогенных систем как способ интенсификации химических реакций и получения новых продуктов, Вестник технологического университета. 2018. Т.21, №4, С. 19-22.

14. Ал.Ал. Берлин, Горение полимеров и полимерные материалы пониженной горючести // Соросовский образовательный журнал, 1996, №9, с. 57-63

15. Ал.Ал. Берлин, Н.А.Халтуринский Т.В.Попова, Горение полимеров и механизм действия антипиренов // Успехи химии, 1984,III,вып.2, 326

16. Ал.Ал. Берлин, Н.А.Халтуринский М.С.Вилесова Н.С.Ениколопян, Эффект диспергирования при введении микрокапсулированных антипиренов в полимерные материалы // Докл.АН СССР, 1983,269,№5,889

17. Ал.Ал. Берлин, Г.Б.Айвазян Т.В.Попова Н.А.Халтуринский А.Г.Гальченко М.С.Вилесова М.С.Босенко Р.П.Станкевич, Использование микрокапсулированных антипиренов для снижения горючести полимерных материалов // Огнезащитные полимерные материалы, проблемы оценки их свойств,Таллин,тез. докл.,19

18. Ал.Ал. Берлин, Н.А. Халтуринский, А.Ю. Шаулов. Полимерные материалы пониженной горючести. // Горение и плазмохимия. 2006. Т. 4. № 2. С. 79-88.

19. Golubkov, G.V., Manzhelii, M.I., Lushnikov, А.А. Radiochemical physics of the upper Earth’s atmosphere. Russ. J. Phys. Chem. B, 2014, V. 8, № 4, P. 604-611

20. Golubkov, G.V., Manzhelii, M.I., Berlin A.A., Lushnikov, А.А. Fundamentals of radio-chemical physics of the Earth’s atmosphere. Russ. J. Phys. Chem. B, 2016, V. 10, № 1, P. 77-90

21. Golubkov G.V., Golubkov M.G., Manzhelii M.I. Rydberg states in the atmosphere D layer and GPS system positioning errors. Russ. J. Phys. Chem. B, 2014, V. 8, № 1, P. 103-115

22. Golubkov G.V., Golubkov M.G., Manzhelii M.I., Karpov I.V. Optical quantum properties of GPS signal propagation medium – D layer. In: The Atmosphere and Ionosphere. Elementary processes, monitoring, and ball lighting. /Ed. By V.L.Bychkov, G.V.Golubkov, A.I.Nikitin. Heidelberg, London, New York, Springer, 2014. P. 1-68

23. Golubkov G.V., Manzhelii M.I., Karpov I.V. Chemical physics of the upper atmosphere. Russ. J. Phys. Chem. B, 2011 V. 5, № 3, P. 406-411

24. Golubkov G.V., Golubkov M.G., Ivanov G.K., Rydberg states of atoms and molecules in a field of neutral particles. In: The Atmosphere and Ionosphere. Dynamics, Processes and Monitoring. Eds. Bychkov V.L., Golubkov G.V., Nikitin A.I., Springer, New York, 2010, P. 1-68.

25. Ал. Ал. Берлин, Некоторые перспективы развития полимерных конструкционных материалов, Высокомолекулярные соединения, серия А, 2010, том 52, № 9, с. 1541–1550.

26. Никольский В.Г., Вольфсон С.А., Дударева Т.В., Красоткина И.А. // Наука – производству. 2002. № 3(53). С. 13.

27. Никольский В.Г., Внукова Л.В., Вольфсон С.А., Дударева Т.В., Красоткина И.А. Переработка и использование изношенных автопокрышек на современном этапе, «Химическая техника» №4 2002 г. стр.4-11

28. Никольский В.Г., Современные технологии переработки изношенных автопокрышек и других резино-технических отходов, «Вторичные ресурсы» №1 2002г. стр.48-51.

29. Берлин А.А., Дударева Т.В., Красоткина И.А., Никольский В.Г., Утилизация отходов шинной резины и активный порошок дискретно девулканизованной резины, Все материалы. Энциклопедический справочник, 2018, № 2, с. 27-35.

Библиографическая ссылка: Берлин А.А. Наука фундаментальная и прикладная // НБИКС-Наука.Технологии. 2019. Т.3, № 7, стр. 14-25

Article reference: Berlin A.A. Fundamental and Applied Science // NBICS-Science.Technology. 2019. Vol. 3, No. 7, pp. 14-25