Взаимовлияние веществ. Адсорбция, трение, адгезия.

on 25 December 2010.

 

Известно, что в газовой среде на поверхности твердого тела образуется тончайший слой уплотненного газа.

Впрочем «тончайший» слой - это не всегда верно. Хороший активированный уголь (то есть уголь, прошедший термообработку без доступа воздуха) способен поглотить (притянуть к себе) 90! объемов аммиака, или 55 объемов сернистого газа, или 9 объемов кислорода. (Объемы считаем от действительного объема угля).

Адсорбция есть проявление молекулярных взаимодействий между молекулами газа и молекулами вещества. Слой газа, налипшего на стенку, можно предполагать не одноатомным, а многослойным.

Вообще взаимодействие молекул может происходить без образования химического соединения, а просто как слипание, тяготение друг к другу без изменения внешних химических свойств. Мы видим подобное у молекул воды, которые, как оказалось, стремятся слипнуться в кластеры, большие конгломераты молекул, что никак не сказывается на химических свойствах, но проявляет себя в биологических объектах. Болотная или застоявшаяся вода ни в какое сравнение не идет с водой из родника или ручья, берущего начало от ледника. При том, что содержание солей в них будет строго идентичным.

Известно, что в газовой среде на поверхности твердого тела образуется тончайший слой уплотненного газа.

Впрочем «тончайший» слой - это не всегда верно. Хороший активированный уголь (то есть уголь, прошедший термообработку без доступа воздуха) способен поглотить (притянуть к себе) 90! объемов аммиака, или 55 объемов сернистого газа, или 9 объемов кислорода. (Объемы считаем от действительного объема угля).

Адсорбция есть проявление молекулярных взаимодействий между молекулами газа и молекулами вещества. Слой газа, налипшего на стенку, можно предполагать не одноатомным, а многослойным.

Вообще взаимодействие молекул может происходить без образования химического соединения, а просто как слипание, тяготение друг к другу без изменения внешних химических свойств. Мы видим подобное у молекул воды, которые, как оказалось, стремятся слипнуться в кластеры, большие конгломераты молекул, что никак не сказывается на химических свойствах, но проявляет себя в биологических объектах. Болотная или застоявшаяся вода ни в какое сравнение не идет с водой из родника или ручья, берущего начало от ледника. При том, что содержание солей в них будет строго идентичным.

Адсорбция есть продолжение химической активности. Степень адсорбции должна зависеть от внешних электронных оболочек, заполненных или незаполненных. Поэтому можно ожидать плохую адсорбцию у благородных газов и очень хорошую у химически активных веществ. Кроме того, молекулы могут находиться в возбужденном состоянии, что должно также сказаться на активности.

Очищенное от газов вещество после отжига должно после помещения в газовую среду опять притянуть к своей поверхности молекулы газа и тем самым увеличить свою массу.

Избирательное притягивание поверхностью некоторых молекул нетрудно доказать. Пропуская луч света над поверхностью вещества и анализируя его на спектрофотометре, можно доказать избирательность адсорбции.

Зачищенный от верхнего слоя (окисла) свинец может при соприкосновении с другим таким куском так прочно сцепиться с ним, что потребуется очень большое усилие, чтобы разорвать образовавшуюся связь. Это связь - проявление межмолекулярных сил. И на какое расстояние распространяется эта связь? За счет шероховатостей и выступов хорошо, если мы сблизили образцы до 0,1 микрометра (а ведь не выступы отдельные определяли прочность сцепления). Но и это превышает размер атома в тысячи раз. В теории предполагается уменьшение сил в зависимости от куба расстояния. Так взаимодействуют диполи.

Можно ли предсказать (рассчитать) расстояние, с которого провзаимодействуют молекулярными силами два вещества? Взяв, например, пробный образец и поместив его на точный измерительный прибор (пусть, для определенности, крутильные весы) сможем ли мы заметить молекулярное взаимодействие с другими опытными образцами? Вывести зависимость силы от расстояния, от массы, от формы, от площади поверхности (порошок – монолит), от химического состава, от температуры образцов? А еще и от давления окружающей среды, от влажности среды, от радиоизлучений…

Влияющих факторов так много, что учесть их одновременно не представляется возможным. Что можно точно сказать, так это то, что на расстояниях порядка метра эти силы практически не проявляются, потому что гравитационное взаимодействие, измеренное в тысячах опытов с фантастической точностью не зависит от перечисленных факторов. Но вот при расстояниях порядка сантиметр – миллиметр молекулярные силы могут превзойти гравитационные во много раз (а при долях миллиметра они в миллионы раз превосходят гравитационные - по автору).

Прочность веществ на разрыв с ростом температуры падает. С уменьшением температуры, естественно, растет. То есть силы взаимодействия между более холодными молекулами, имеющими меньшие скорости, превосходят силы взаимодействия между горячими молекулами, имеющими большие скорости. Поэтому и адсорбция (количество поглощенного вещества) будет всегда лучше (больше) при низких температурах по сравнению с высокими.

Адсорбцию (по определению) мы связываем с притяжением молекул газа к поверхности твердого тела. Но неизбежно должно быть и притяжение твердых тел друг к другу. (см. «О природе гравитации»).

Сформулируем задачу.

Как максимально просто определить степень взаимовлияния твердых тел друг на друга?

По трению.

Именно трение определяет молекулярное взаимодействие. Конечно, образцы должны быть строго идентичны, обработка поверхностей должна быть одинаковой, скорость перемещения образцов не должна отличаться, давления на нижние поверхности должны быть равны.

Но все опыты, все справочные данные на сегодня относятся только к системе Земля, к ее условиям, и в том числе, к ее атмосферному составу газов. Опыты, проведенные в других условиях (например, на Луне или в лаборатории в другой газовой смеси) демонстрируют очень неожиданные результаты.

Например, явление сверхнизкого трения. Помнится, облучение в вакууме трущихся поверхностей альфа частицами привело к неожиданному результату – трение настолько упало, что были сделаны даже попытки приписать это явление к аналогам сверхпроводимости. Но, по мнению автора, лишь образующаяся прослойка гелия между телами есть тому причиной. И сразу возникает мысль - как нанести такую адсорбционную прослойку на тела в земных условиях, трение ведь съедает так много энергии, что и процента экономии будет достаточно, что сторицей окупить исследования по данной теме.

На Луне, где нет атмосферы, возникает другое, очень неприятное явление: слипиние трущихся поверхностей, жесткая адгезия, сварка трением. Земная техника клинит. Даже неглубокое бурение представляет проблему.

Тончайший микрослой вещества на поверхности трущегося тела в корне меняет процесс. Причем этот микрослой может быть не напыленные слой какой-нибудь легирующей добавки, а слой налипшего адсорбированного газа.

Нанесение (вдувание, адсорбция, образование на поверхности из реагентов) гелия между трущимися поверхностями резко уменьшает трение. (Где гелий - там и все благородные газы - неон, ксенон, аргон, радон, исходя из стоимости, стоит делать и выбор).

Обезгаживание поверхностей резко увеличивает трение.

Что предлагает автор?

Там, где необходимо избавиться от трения, стоит подавать тончайшей струей благородные газы. Причем, это касается не только трения двух твердых веществ, но и трения, например, крыла самолета о воздух. Гелий резко, в десятки раз, должен снизить сопротивление трения, не меняя аэродинамических характеристик крыла.

Там, где необходимо увеличить трение, возможно подавать газы, имеющие повышенную склонность к адсорбции (тот же аммиак, например, или сернистый газ). Если для локомотива необходимо увеличить сцепление с рельсами, то для вагонов необходимо уменьшать трение (проще всего, конечно, это делать микроподдувом в зону трения выбранных газов). Хотя, конечно, кто знает, как поведет себя именно такая подушка газа. Быть иоже, она также уменьшит трение. Сейчас повсеместно самопроизвольно возникает подушка воздушная.  Но НЕ может быть такого, чтобы не нашлось газов, изменяющих трение, как увеличивающих, так и уменьшающих его.

Не меняя никаких характеристик трущихся поверхностей, ничего не добавляя, не разрушая, не перестраивая и не реконструируя, можно добиться резкого изменения трения только лишь путем замены тончайшего прилегающего слоя газа.

 Как в транспорте, так и в обработке материалов это может дать ощутимый результат.