Самоорганизация на молекулярном уровне – естественнонаучная основа нанотехнологий. Их роль в использовании энергии среды

УДК 539.2

САМООРГАНИЗАЦИЯ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ -ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ ОСНОВА НАНОТЕХНОЛОГИЙ. ИХ РОЛЬ В ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭНЕРГИИ СРЕДЫ

© 2009 г. д-р, техн. наук, проф. И.И. Свентицкий, канд. техн. наук А.П. Гришин

Всероссийский институт All-Russian Research Institute

электрификации сельского хозяйства of Electrification of Agriculture

На примерах различных природных явлений показана необходимость применения в разработках по нанотехнологиям научных методов, связанных с современными достижениями самоорганизации (неравновесная термодинамика, синергетика, динамика сложных открытых нелинейных систем), которые являются исходными теоретическими основами нанотехнологий.

Ключевые слова: нанотехнологии, самоорганизация, диссипативные структуры, энергия среды.

By giving some examples it is shown the necessity of using those scientific methods in the nano-technological designs, which are associated with such modern achievements of selforganization (nonequilibrium thermodynamics, synergy, dynamics of complex open nonlinear systems) and which are the theory of nano-technology.

Key words: nano-technology, self-organization, dissipative structures, energy of medium.

В концепции развития работ в области нанотехнологий [1] раскрыта суть создания на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально

законченных систем или устройств, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям. Справедливо отмечено, что: «К

настоящему времени существенно

усовершенствованы известные и разработаны новейшие технологии

(самоорганизация и самосборка...)». Очевидно, самоорганизация и самосборка на молекулярном уровне, т.к. размеры молекул соответствуют наноразмерам. Принимая во внимание, что в разработке концепции принимали участие ученые РАН, представляется странным, что в этом важном документе ничего не говорится о научных методах, связанных с современными достижениями

самоорганизации (неравновесная

термодинамика, синергетика, динамика

сложных открытых нелинейных систем), которые являются исходными

теоретическими основами нанотехнологий. Отметим, что наноструктуры и нанотехнологии невозможно объяснить без учета принципов самоорганизации.

Для иллюстрации этого положения рассмотрим конкретные примеры и приведем основные принципы

самоорганизации термодинамических

систем. Здесь и далее воспользуемся положениями, определениями и

терминологией, используемой в [2, 3].

Возьмем реальный газ, находящийся при температуре, близкой к критической, при которой могут образовываться мельчайшие капельки жидкости. Капельки жидкости представляют собой сгустки молекул, т. е. являются флуктуациями плотности. В идеальном газе эти сгустки молекул неустойчивы, тогда как в реальном газе, вследствие взаимодействия между молекулами, они образуют достаточно устойчивые комплексы связанных между собой частиц. При малом

понижении температуры (ниже

критической) и уменьшении объема, занимаемого газом, флуктуации начинают разрастаться и газообразное вещество превращается в жидкость, то есть переходит в новое состояние.

Разрастание флуктуаций возможно в открытых системах, находящихся в сильно неравновесном состоянии, причем между элементами системы должно существовать согласованное взаимодействие. Процесс образования новых структур в результате согласованного действия их элементов называется самоорганизацией. Свойство самоорганизовываться есть у системы в целом, но нет у отдельных ее частей.

Образование капелек из пара -самоорганизация первого типа, она представляет собой образование структур из первично однородно распределенного вещества. В результате самоорганизации первого типа образуются статические структуры.

Самоорганизация второго типа представляет собой образование качественно новых структур. Это временные и пространственно-временные структуры - паттерны, которые требуют постоянной подпитки энергией и обмена веществом.

Такие структуры являются

динамическими и называются

диссипативными структурами. Например, превращение ламинарного течения в турбулентное, намагничивание или потеря намагниченности вещества, изменение агрегатных состояний, электризация, изменение симметрии кристалла. Во всех этих случаях происходит самоорганизация.

Для протекания процесса

самоорганизации необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

1) открытая система должна находиться в сильно неравновесном состоянии;

2) между элементами системы

должна существовать сильная нелинейная связь, которая определяет коллективность, кооперативность, согласованность

движения;

3) система должна иметь достаточно высокий уровень флуктуации, склонной к разрастанию;

4) система должна быть склонна к бифуркациям. То есть приток энергии к системе должен обеспечить достижение системой критического состояния (точки бифуркации) с последующим выходом из этого состояния скачком по типу фазового перехода.

В теории самоорганизации под структурой понимают всякое установление состояния упорядоченности не только в пространстве, но и во времени. В современную неравновесную термодинамику, которая входит в теоретические основы синергетики, И. Пригожин ввел понятие «диссипативные» структуры.

Диссипативные структуры - это сложные пространственно-временные структуры, возникающие под действием термодинамических сил в системе, находящейся далеко от термодинамического равновесия, параметры которой превышают критические значения и существующие только в режиме постоянной подпитки.

При значительном удалении от равновесия у системы появляются новые свойства, поэтому для описания диссипативных структур требуется новая теория, так как они, по сути дела, представляют собой новый тип состояния материи. Такой теорией является синергетика как междисциплинарное направление научных исследований в системах и процессах различной природы, которая проявляется в концепции самоорганизации. Важнейшими характеристиками диссипативных структур являются: время жизни, область локализации и фрактальная размерность.

Приведенные выше условия характерны для работы тепловых насосов, являющихся ярким примером возникновения таких структур в условиях фазовых самоорганизующихся процессов испарения - конденсации. Этот самоорганизующийся природный процесс используют в качестве рабочего процесса в

тепловых насосах и холодильных машинах, где отдельные более быстрые молекулы, имеющие наноразмеры, преодолевая поверхностное натяжение жидкости, самопроизвольно превращают ее в пар или газ. Унося часть энергии, отобранной от жидкости, они могут передать ее при конденсации в другом месте. Затрачивая работу на замкнутое перемещение жидкости и пара, можно передавать теплоту от менее нагретого тела к более нагретому.

Это открытие сделал в 1752 году лорд Томсон-Кельвин, назвав его динамическим отоплением. Такой вид обогрева, реализованный в тепловом насосе, позволяет использовать теплоту среды для обогрева.

Как известно, исходя из 2-го начала термодинамики (формула Карно для определения КПД тепловой машины), теплоту среды невозможно использовать. Из-за этого несоответствия практическое освоение теплового насоса происходило очень медленно. Очевидно, по этой же причине основной рабочий процесс теплового насоса назвали «обратным циклом Карно», который от прямого цикла Карно отличается только тем, что процессы цикла в нем следуют «против часовой стрелки» [4].

Тогда чем можно объяснить необычно высокую эффективность

использования тепловым насосом

энергоносителя электрической энергии. В [5] было показано, что это можно объяснить только использованием в нем рабочего процесса, принципиально

отличающегося от рабочего процесса традиционной тепловой машины -термодинамического цикла Карно, основанного на использовании

температурного градиента. Этим рабочим процессом теплового насоса и

холодильной машины является

самоорганизующийся природный процесс - фазовый переход испарение -

конденсация. Он обеспечивает

возможность использования этими преобразователями теплоты среды, что дает принципиальное повышение (в разы по сравнению с традиционными

тепловыми машинами) эффективности использования энергоносителя.

Отечественные конструкции тепловых насосов на каждый кВтч потребляемой из сети электроэнергии продуцируют 2...2,5 кВтч теплоты для обогрева. Современные конструкции этих преобразователей зарубежных фирм имеют в два раза большую эффективность.

Правомочен вопрос: какое значение имеет теоретический коэффициент преобразования энергии тепловым насосом и как определить эксергию теплоты среды по ее преобразованию тепловым насосом? Ответы на эти вопросы пока не удалось найти. Это свидетельствует о том, что теоретические основы функционирования тепловых насосов еще не разработаны и их предстоит разработать, используя теорию и принципы самоорганизации совместно с гиперчастотной механикой наночастиц как элементов рабочего процесса.

В последней [3] утверждается, что, например, рабочее тело теплового насоса фреон-12, имеющее частоту осцилляторов наночастиц в газообразном состоянии f2 = 5999 ГГц и температуру Т2 = 288,15 °K, в момент фазового перехода при конденсации понижает частоту

осциллятора и температуру на 12,3%, отдавая накопленное из окружающей среды тепло. При условии, что приток энергии из окружающей среды постоянен, а цикл теплового насоса замыкается фазовым переходом испарения фреона, самоорганизующийся процесс

тепловыделения сопровождается

образованием новой диссипативной структуры в виде динамического автопаттерна нелинейной колебательной системы осцилляторов.

Изменение частоты осциллятора при фазовом переходе свидетельствует о необходимости перехода в исследованиях термодинамических процессов к основам самоорганизации, при этом в качестве характеристики рассматривается не термодинамическая температура, а частота, как более корректная для этого случая физическая величина.

При этом математическая модель процесса может строиться на основе логистического уравнения, позволяющего моделировать различные варианты процесса самоорганизации, изменяя параметр порядка уравнения и процесса, а сам процесс фазового перехода следует рассматривать как бифуркацию периода колебаний [6]. Примерно таким путем, на взгляд авторов, необходимо идти в исследованиях по созданию теории тепловых насосов на основе гиперчастотной механики наночастиц и методологии самоорганизации.

Ещё один пример.

Гидроэнергетические устройства имеют, пожалуй, наиболее древнее применение из всех технических энергоустановок. Они используют энергию гравитации. Но их работа была бы невозможна, если бы в природе не существовал

самоорганизующийся фазовый переход испарение - конденсация. Благодаря этому процессу, в природе вверх течет воды столько, сколько и вниз. Без круговорота воды в природе, очевидно, была бы невозможна жизнь на суше.

В процессах нагрева используют и другой механизм самоорганизации в жидкой среде - переход ламинарного течения в турбулентное. В современных обогревающих устройствах такого типа он позволяет повысить эффективность преобразования электрической энергии в тепловую в 1,5 раза. Этот механизм генерации энергии на молекулярном уровне (нанометрическом) имеет место и в природе, только его не обнаруживали до появления «Красноярского феномена». Сущность этого феномена в том, что до строительства Красноярской ГЭС Енисей регулярно зимой покрывался льдом на территории Дивногорск - Красноярск. После завершения строительства ГЭС верхний бьеф Енисея от Дивногорска и южнее по-прежнему зимой замерзает. А нижний бьеф от Красноярска и севернее на 100 км льдом не покрывается. Раскрыть этот феномен несложно, исходя из самоорганизующегося явления

турбулентного течения воды. Падая с

высоты 100 метров через водосброс или проходя с большой скоростью через турбины, вода приобретает сильное турбулентное движение, при котором, согласно исследованиям

Ю.Л. Климонтовича [7], энтропия не возрастает, а уменьшается, следовательно, выделяется свободная энергия, которая нагревает воду и не дает ей замерзать.

Здесь, как и в тепловом насосе, образование турбулентности можно рассматривать как неравновесный фазовый переход, сопровождающийся увеличением степени упорядоченности, а следовательно, снижением энтропии. То есть ламинарное течение проявляется здесь как менее упорядоченное с точки зрения переноса импульса от слоя к слою отдельными наночастицами в отличие от турбулентного течения, где этот процесс становится коллективным [6]. Как видно и здесь при более детальном рассмотрении вопросов прикладного значения турбулентности необходимо прибегнуть к методологии самоорганизации.

Самоорганизующееся

взаимодействие электрических и магнитных полей с магнитными и электрическими диполями

сегнетоэлектриков (также на

наноуровневых молекулярных масштабах) имеет огромное значение в создании высокоэффективных электромагнитных преобразователей энергии, в частности, преобразователей теплоты среды непосредственно в электрическую энергию. Теоретически эта возможность была показана профессором МГУ Б.Г. Голицыным еще в 19 столетии [8]. В основе этого явления также лежит процесс выхода наночастиц из симметричного положения при фазовом переходе в несимметричную модификацию сегнето-кристалла с поглощением эксергии и возникновением спонтанной поляризации. И здесь мы наблюдаем возможность применения методологии самоорганизации при решении теоретических вопросов.

Все необычайные электромагнитные явления, продемонстрированные великим изобретателем Тесла, можно объяснить и

реализовать на макроуровне на основе учета явлений и процессов

самоорганизации взаимодействия

электрических и магнитных полей с магнитными и электрическими диполями на наноуровне [9].

До сих пор не удается реализовать процесс быстрого пиролиза. Возможность его осуществить возникла в связи с открытием в 19 столетии Д.И. Менделеевым температуры абсолютного кипения, при котором исчезает

поверхностное межмолекулярное

натяжение и испарение происходит без затрат энергии на теплоту парообразования

[10] . Понять эти самоорганизующиеся

межмолекулярные взаимодействия (на наноразмерном уровне) можно только на основе теоретических достижений самоорганизации (синергетики,

неравновесной термодинамики, динамики сложных открытых нелинейных систем)

[11] .

Выше рассмотрена необходимость учета теоретических положений

самоорганизации только применительно к развитию нанотехнологий

энергопреобразующего направления. Но не в меньшей мере это необходимо для дальнейшего развития нанотехнологий информационного направления и улучшения свойств веществ и процессов обмена веществ. Очень важно использование в развитии нанотехнологий заимствование явлений бионики, которые также требуют рассмотрения на основе теоретических положений

самоорганизации.

Концепцией [1], к сожалению, не предусмотрены теоретические

возможности развития основ

нанотехнологий. В ней декларируется изобретательский подход, который по своей результативности во многом уступает теоретическим разработкам на основе принципов самоорганизации. Наиболее важными принципами самоорганизации является принцип подчинения синергетики, принцип энергетической экстремальности

самоорганизации и прогрессивной

эволюции [11]. Для ускорения и упрощения анализа сложной

многофакторной системы в ней выбирают одну из переменных, которая наиболее быстро изменяется и наиболее сильно влияет на искомую величину или свойство. Эту переменную называют переменной порядка или параметром порядка. В наших примерах таковым является эксергия фазовых переходов. Затем выбирают в системе один или несколько параметров -параметров управления. В дальнейшем анализе системы учитывают только переменную порядка и параметр управления.

Принципы энергетической

экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции позволяет выявить общую направленность развития сложных динамических систем, и установить начало исчисления (точку отсчета) в определении эффективности функционирования динамической системы (нанотехнологии). Этот принцип в виде зеркальной динамической симметрии объединяет второе начало термодинамики и противоположный ему закон выживания, закон, направляющий развитие

самоорганизующихся (в том числе и нанотехнологических) систем.

Б.И. Кудриным выявлена общая эволюционная

энергоэкономная направленность развития технологии и техники, совпадающая с такой же направленностью всех этапов эволюции природы [12]. Это подтверждают многочисленные подобия структур реальных физико-химических, биологических и социальных объектов, которые приведены в [13].

Достижения самоорганизации, к сожалению, недостаточно учитывают не только в естествознании и технике, но и в социологии [14]. Рассматривая общую направленность развития современного мирового сообщества, его называют постиндустриальным, постэкономическим, но приставка «пост» ничего не говорит о самой сущности развития. Она только отражает окончание определенного этапа развития.

По мнению авторов, XXI век будет веком энергоинформационной

самоорганизации устойчивого развития природы и общества. Такой вывод подтверждают материалы международной

конференции «Стратегии динамического развития России: единство

самоорганизации и управления», проведенной РАГС при президенте РФ [14].

ЛИТЕРАТУРА

1. Концепция развития в РФ работ в области нанотехнологий на период до 2010 года. - М., 2004. - 24 с.

2. Хакен Г. Синергетика. - М.: Мир, 1980.

3. Базиев Д.Х. Основы единой теории физики. - М.: Педагогика, 1994.

4. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1977.

5. Свентицкий И.И. Этого не может быть?! //Топливно-энергетический комплекс. -2005. № 1-2. - С. 272-274.

6. Климантович Ю.Л. Турбулентное движение и структура хаоса: новый подход к статистической теории открытых систем. - М.: КомКнига, 2007. - 328 с.

7. Климантович Ю.Л. Уменьшение энтропии в процессе самоорганизации. S-теорема (на примере перехода через порог генерации). Письма в ЖТФ. 1984. Т. 9. - С. 1412.

8. Голицын Б.Б. Ученые записки Московского университета. № 10. Т. 1. - М., 1893.

9. Nikola Tesla. Colorado Springs Notes 1899 - 1900. Published by Nolit/ Beograd, 1978,

437 p.

10. Менделеев Д.И. Сочинения. Т. V. - М.: Изд-во АН СССР, 1947.

11. Свентицкий И.И. Энергосбережение в АПК и энергетическая экстремальность самоорганизации. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007.

12. Кудрин Б.И. Классика технических ценозов. Ценологические исследования. Выпуск 31. - Томск: ООО «Технетика». - 2006.

13. Лима-де-Фариа А. Эволюция без отбора: автоэволюция формы и функции. - М.: Мир, 1991. - 455 с.

14. Стратегия динамического развития России: единство самоорганизации и

управления. Т. I-III. - М., 2004.