Страница 28 из 102
Согласно наиболее удачному определению, материаловедение – это наука о принципах создания материалов с заданными свойствами. Материалы получаются в пространственной системе «физическое воздействие – исходное вещество (прекурсор) – релаксационные физико-химические процессы преобразования прекурсоров – требуемый материал». Обычно управление процессом создания материалов заключается в изменении параметров физического воздействия и состава прекурсоров. Параметры воздействия ограничиваются методом воздействия. В последнее время в качестве прекурсоров часто используются многоэлементные и многофазные исходные вещества (получение высокотемпературных сверхпроводников, прямая переработка минерального сырья и т.д.). Изменение их состава путем перебора – многопараметрическая задача, требующая больших материальных и временных затрат.
Релаксационные эффекты в самоорганизующейся неравновесной конденсированной системе можно и нужно использовать для управления выходом химических форм и фаз, а, следовательно, и свойствами получающихся материалов. Но для этого необходимы точные сведения (или адекватные модели) о механизмах релаксационных процессов в конденсированных системах на физико-химической стадии получения материалов. Их можно получить только при использовании неразрушающих методов фазово-элементного исследования (лучше в режиме in situ – реального времени).
В общем случае, под неравновесным состоянием системы в термодинамике понимается такое ее состояние, из которого она самопроизвольно может переходить в другое состояние по направлению к равновесию в условиях изоляции или при малом конечном воздействии. Неравновесные системы возникают, как правило, при физических процессах, сообщающих системе в целом или ее части избыточную внутреннюю энергию по сравнению с энергией равновесной системы.
Практика показывает, что неравновесные конденсированные системы – скорее правило, чем исключение среди существующих в природе (естественных), воспроизводимых и идентифицируемых (искусственных) веществ и материалов. В большинстве случаев создание материалов и условия их эксплуатации относятся к существенно неравновесным системам. Нередко и сам материал (как система) внутренне равновесен лишь частично.
Автор предложил релаксационный принцип управления свойствами неравновесных физико-химических систем, который можно сформулировать таким образом. В случае, когда времена релаксации много больше длительности физического воздействия, существует возможность управления выходом химических форм, фаз и, как следствие, свойствами веществ (материалов), используя сведения о механизмах релаксации в неравновесных конденсированных системах на физико-химической стадии релаксационных процессов (в том числе и в процессе эксплуатации).
Общенаучное значение релаксационного принципа. Принцип, сформулирован на основе радиохимических исследований, но работает в ядерной физике, биологии, социологии, филологии, геологии. Об этом в следующей статье.
Принципы или законы действуют в науке? «Релаксационный принцип». Часть 2.
Релаксация - это ряд процессов по направлению к термодинамическому равновесию в макроскопических физических системах. Релаксационные процессы в системе в значительной степени определяют условия образования ее неравновесных состояний. Состояние макроскопической системы определяется некоторым числом параметров, и установление равновесия по каждому из них может протекать по-разному. Количественной характеристикой релаксации служит время релаксации.
Масштабы времен релаксации в многообразных неорганических системах на макроуровне различны. Электроны в проводниках приходят в состояние равновесия за 10-13-10-14 с, а приближение к равновесию кристаллических структур в земной коре длится геологические эпохи.
Иногда в физико-химической и технической литературе встречается термин адаптация (от средневекового лат. adaptatio - приспособление). Но это термин биологический и означает совокупность морфофизиологических, поведенческих, популяционных и др. особенностей биологического вида, обеспечивающая возможность специфического образа жизни особей в определенных условиях внешней среды. Адаптацией называется и сам процесс выработки приспособлений. В физиологии и медицине обозначает также процесс привыкания.
Предлагаемый автором релаксационный принцип иллюстрируется экспериментальными примерами из различных областей естествознания.
Радиохимия. Химические последствия ядерных превращений, изучаемые с помощью эмиссионной мессбауэровской спектроскопии (ЭМС). В ЭМС объектом исследования является источник гамма-квантов. Возможность ее использования для изучения релаксационных эффектов на физико-химической стадии после ядерных превращений заключена в самой природе мессбауэровского перехода. При распаде радионуклидов иногда возникает мессбауэровский ядерный уровень, время жизни которого для разных переходов лежит в пределах 10-6-10-10 с и определяет ту временную стадию (in situ), на которой исследуются релаксационные эффекты. Это и есть время релаксации. Таким образом, в мессбауэровском изотопе создана природой модель эксперимента: физический процесс воздействия на вещество (радиоактивное превращение, самооблучение, отдача) ® временная задержка (время жизни мессбауэровского уровня) ® регистрирующий инструмент (мессбауэровский гамма-квант). Исследуемая система «радионуклид (кобальт-57) – катионит (КУ-2х2) – адсорбат». Автором обнаружена зависимость выхода химических форм железа-57 (форма Fe3+) после электронного захвата в атомах кобальта-57 (форма Co2+) от электроноакцепторных свойств локального окружения «горячих» атомов кобальта. А именно, выход окисленных форм железа растет при введении в состав ближнего окружения радиоактивных атомов кобальта веществ с большей способностью к акцептированию электронов. То есть мы получили возможность регулировать химию атомов после радиоактивного распада!