Каждый, кто знаком с основами химии, знает, что большинство химических реакций ускоряется при нагреве реагирующих веществ. Не задумываясь о природе этого явления, мы ежедневно используем его, например, при приготовлении пищи. Нагрев служит источником энергии, которая необходима, чтобы преодолеть барьер между молекулами-реагентами и молекулами-продуктами реакций.
Является ли нагрев единственным способом передачи энергии, единственным способом ускорить (или вообще запустить) химическую реакцию? Оказывается, нет: можно запустить реакцию, освещая реагенты «подходящим» по спектральному составу светом. Так, на основе фотохимического восстановления серебра родилась в свое время черно-белая фотография. Закономерности реакций, вызванных действием света, изучает фотохимия.
Вслед за открытием явления радиоактивности и радиоактивных излучений появилась еще одна отрасль химии – радиационная химия, где источником энергии для химических превращений служат альфа- и бета-частицы, а также гамма-излучение. Фотохимические и радиационно-химические реакции протекают, в частности, в верхних слоях атмосферы Земли и защищают нас от жесткого ультрафиолетового излучения.
Фотохимия и радиационная химия – две составные части так называемой химии высоких энергий. Третьей «веточкой» химии высоких энергий является плазмохимия, о которой идет речь в этой статье. Нетрудно догадаться, что эта химия как-то связана с плазмой. А о плазме наши читатели уже, наверняка, слышали: плазма является «четвертым агрегатным состоянием вещества» (вслед за твердым, жидким и газообразным состояниями).
Определение плазмы ввел в научный обиход лауреат Нобелевской премии Ирвинг Лэнгмюр (рис.1): плазма – это газ, состоящий из электронов, ионов и нейтральных атомов, и молекул, причем концентрации отрицательно заряженных электронов и положительных ионов примерно одинаковы. Чтобы создать плазму, не обязательно нагревать газ до очень высокой температуры. Можно поместить его в сильное электрическое поле, где свободные электроны разгоняются до таких высоких скоростей, что при столкновениях с атомами и молекулами ионизируют их, то есть порождают новые электроны и положительные ионы. Вместе с этим под ударами быстрых электронов молекулы могут диссоциировать, то есть «разбиваться» на свободные атомы и радикалы, или запасать энергию в виде возбуждения колебательных и электронных состояний. В результате при относительно низких температурах газа в плазме появляются химически активные частицы, концентрации которых так велики, словно газ нагрет до тысяч и десятков тысяч градусов. Вот почему плазма заинтересовала химиков.
Впервые химические явления в газовых разрядах описал еще Генри Кавендиш в 1775 г. (рис.2) Пропуская электрические искры через влажный воздух, он наблюдал появление бурых паров оксидов азота. До начала 20 века исследования в области химии плазмы были отрывочными, шло накопление экспериментальных данных о воздействии электрических разрядов на газы, в которых могут протекать химические реакции. Изучались диссоциация молекул углекислого газа, разложение и синтез окислов азота, а также озона, образование гидразина, получение ацетилена из метана, разложение и конденсация углеводородов в разрядах и другие реакции.
В 80-е годы 19 века были выполнены первые исследования разрядов в воздухе между металлическими и жидкими электродами (растворами электролитов). Тогда же впервые при действии плазмы на раствор нитрата серебра было получено «коллоидное серебро».
Окислительно-восстановительные реакции, вызванные действием плазмы на растворы, изучаются и в наши дни. Исследуются и разрабатываются процессы разрушения органических загрязнений в воде, синтеза оксидных наноматериалов при минимальном расходе реагентов, накопления в воде активных частиц, способных уничтожать патогенные микроорганизмы, а также улучшать всхожесть семян сельскохозяйственных культур и ускорять раннее развитие растений.
Становление плазмохимии как самостоятельной дисциплины, которая зародилась на стыке физики газовых разрядов, физики плазмы и химии высоких энергий, относится к 60-м годам 20 века. Именно тогда были выполнены основополагающие работы в СССР, США, ФРГ. К этому времени сформировались основные представления о плазме как о специфической среде по сравнению с той, что реализуется в традиционной химии. Важной особенностью был часто наблюдаемый аномальный состав продуктов плазмохимических реакций. Специфичность среды связана с присутствием в плазме больших концентраций активных частиц – электронов и ионов, возбужденных атомов, молекул и радикалов. Следует отметить, что по сравнению с традиционной химией в плазмохимии появились дополнительные возможности управлять химическими процессами, выбирая генератор плазмы и изменяя электрические параметры разряда.
Во многом развитию теоретических и прикладных исследований в области плазмохимии способствовала деятельность профессора Льва Соломоновича Полака (рис.3), который является основателем научной школы плазмохимии в СССР. Основная тематика его теоретических исследований связана с изучением механизмов плазмохимических процессов.
Уникальные возможности низкотемпературной плазмы, как среды для протекания химических реакций, проявились в разнообразных областях ее применения. Плазмохимия стала основой новых перспективных технологий, открывая богатейшие возможности для создания различного рода соединений и структур с необычными физико-химическими свойствами. Достаточно отметить, что в плазме получаются такие нанообъекты, как фуллерены и углеродные нанотрубки. С использованием плазмы можно наносить тонкие слои, придающие синтетическим материалам биосовместимость.
Приведем еще несколько примеров. С середины семидесятых годов плазмохимические процессы применяются в технологии микроэлектроники, обеспечивая повышение степени интеграции и улучшение параметров микросхем. Это и процессы травления, и нанесения тонких слоев материалов (металлов, полупроводников, диэлектриков), которые критически важны при изготовлении микросхем (рис. 4).
К середине 80-х годов прошлого века были созданы первые в мире промышленные установки для обработки в плазме пониженного давления текстильных тканей. Это оборудование и сейчас используется в Павловском Посаде при подготовке шерстяных тканей к нанесению печатного рисунка, что позволило исключить из производственного цикла ядовитый хлор и сэкономить огромное количество воды.
Сегодня активно развивается еще одно направление применения плазмы, которое связано с медициной. В частности, плазма атмосферного давления используется для уничтожения болезнетворных микроорганизмов, а также при лечении ран, в том числе, ожоговых (рис. 5).
Интересные перспективные исследования в области плазмохимии выполняются учеными Института химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук совместно с преподавателями и студентами Ивановского государственного университета. Их усилия направлены на получение водорастворимых производных природного полисахарида – хитозана, обладающих биологической активностью. Эксперименты показывают, что продукты, полученные при газоразрядной обработке водных суспензий хитозана, повышают устойчивость семян к действию патогенной микрофлоры, а при поливе растений – ускоряют их развитие.
Завершая рассказ, можно перефразировать Дмитрия Ивановича Менделеева: «Широко простирает плазмохимия руки свои в дела человеческие».
Наумова Ирина Константиновна, кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры фундаментальной и прикладной химии
