Исследователи из Омского государственного технического университета (ОмГТУ) построили решеточную модель и исследовали поведение двухкомпонентной газовой смеси при ее осаждении на поверхность твердого тела. Полученные данные иллюстрируют практически все возможные варианты взаимодействия молекул на плоскости и могут быть полезны для истолкования результатов экспериментов в самых разных областях химической науки. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.
Адсорбция — это процесс повышения концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз, например жидкости и твердого тела или твердого тела и газа. В реальной жизни это происходит довольно часто — например, при выпадении инея. По сути, адсорбция существует везде, где есть две и более фазы. Как правило, стартует адсорбция при изменении температуры, давления или еще каких-то внешних условий. Ее универсальность указывает, что точное понимание процессов адсорбции необходимо для создания эффективных каталитических и газоразделительных систем, то есть в огромном количестве промышленных процессов. Важна она и при организации процессов самосборки молекулярных структур на поверхности — для решения целого ряда нанотехнологических задач.
Однако полного понимания процессов адсорбции сейчас нет. Очень редко адсорбция касается только одного газа, осаждающегося на поверхности твердого тела. Как правило, речь идет сразу о двух или даже более газах. И здесь становится очень важно знать, где именно осядут молекулы одного газа и где — второго. Рассредоточатся ли они равномерно, или же вещества будут образовывать какие-либо группы.
Адсорбцию двух газов легче всего представить через аналогию. Если в воздухе летают воробьи и синицы, то внутри своего вида они активно контактируют — конкурируют, ведут ухаживание или еще как-то взаимодействуют, однако между собой синицы с воробьями при этом взаимодействуют главным образом случайно. При изменении условий — повышении температуры или увеличении количества птиц — они опускаются на землю, «адсорбируются» на ее поверхности. Там им необходимо разместиться так, чтобы нормально взаимодействовать с особями своего, а не чужого вида. Происходит самопроизвольное перемещение, сопровождающееся разного рода контактами друг с другом, и логично, что каждый стремится затратить на это как можно меньше энергии. В конце концов каждая птица находит себе место, но распределение это очень сложно предсказать заранее. Для орнитологов это не проблема, а вот в каталитической химии сценарий распределения пары газов необходимо знать заранее.
Авторы новой работы провели полный анализ поведения модели адсорбции смеси двух газов, оседающих на поверхность решетки с «квадратными» ячейками. Модель была основана на допущении, что адсорбированные молекулы одного типа реализуют все возможные варианты взаимодействия друг с другом, но никак не реагируют на молекулы другого типа. Параметры модели были исследованы и при абсолютном нуле, и при конечных температурах (в данной работе -173 градуса по Цельсию). Причем фазовое поведение модели в обеих ситуациях было качественно одинаково, то есть выпадение газа на поверхность решетки шло при сходных условиях.
В итоге исходно простая модель продемонстрировала богатое разнообразие поведения адсорбционного слоя молекул газовой смеси при изменении внешних условий. В некоторых областях адсорбционной плоскости собирались «шарики» исключительно молекул первого или второго газа — без смешивания между собой. В других локациях вообще не оказалось ни одной молекулы. Впрочем, оба этих сценария были не очень частыми и дали не самые интересные результаты.
А вот те случаи, в которых возникли смешанные группы адсорбированных молекул, позволили узнать много нового. Так, все смешанные группы оказались особым образом упорядоченными скоплениями — со структурой, главным образом заданной структурой решетки, на которую шла адсорбция. Благодаря этому модель дала химикам понимание, какая энергетическая выгода позволяет соседствующим молекулам разных типов (в конкретном взаимном расположении) организовывать заданные группы при тех или иных параметрах среды.
