Актуальной задачей любого технологического процесса остается контроль над механическими и физико-химическими процессами с целью получения продуктов и изделий с заданными свойствами и заданным пространственным распределением свойств. Трудность управления гетерофазными процессами в твердой или вязкой жидкой фазе, да еще в масштабах реального промышленного производства усугубляется практической невозможностью локального мониторинга и воздействия, что легко реализуется в ньютоновских жидкофазных средах.
Механические, в частности - акустические, методы влияния апробированы и давно используются. В то время как низкочастотное (радиоволновое) электромагнитное возмущение мало изучено и с недоверием применяется практиками. Хотя технические средства дают возможность практического применения полевых воздействий в большинстве областей металлургии, машиностроении и химической технологии. Эти технологии в силу сокращения производственного цикла и изменения свойств и структуры материала или изделий весьма привлекательны, требуют небольших капитальных затрат и обладают высокой экономической эффективностью.
Гетерофазный массообмен связан со структурно-фазовыми превращениями. Традиционно исследуется массообмен, опирающейся на положение равновесной термодинамики. Например, принцип локального равновесия, в которой рассматривается не ход фазовых превращений во времени и пространстве, а лишь достигнутое в результате уже прошедшего процесса состояние равновесия между исходной и новой фазами в предположении, что новая фаза получила полное развитие.
При этом под температурой перехода при заданном давлении подразумевается не та температура, при которой переход практически начинается и происходит, а та, при которой он останавливается, то есть когда фазы остаются в равновесии друг с другом неограниченно долгое время. Сам процесс возникновения и образования новой фазы из рассмотрения исключается. При этом введенные впервые Ю. Л. Климонтовичем большие флуктуации (в отличие от обычных гомофазных) и сопутствующие им локальные изменения давления и температуры при обычном феноменологическом описании игнорируются полностью [2].
Практика показывает, что подход, основанный только на рассмотрении локальных равновесных состояний, не отражает суть явления. Большие флуктуации плотности — не что иное, как самоорганизация мезофазы, которой присуще свойство фазовых переходов I рода, то есть изменение свойств скачком. В наших работах, впервые обнаружено
влияние электромагнитно-акустических полей малой мощности на процессы,
протекающие при кристаллизации и сварке металлов и сплавов, твердении
минеральных вяжущих материалов, графт-полимеризации термоотверждаемых актрилатных композитов в диапазоне частот 15-8000 кГц [3-5].
Сегодня накоплен обширный экспериментальный материал, не вызывающий сомнений в возможности существенного полевого влияния, как на кинетические параметры, так и на свойства продуктов физико-химических превращений. Однако зачастую под управлением физико-химическими процессами понимают принудительное, энергозатратное, т. е., директивное воздействие на систему. Неверие в возможность управления мощными процессами посредством слабых сигналов опирается на традиционную убеждённость в том, что энергия команды должна быть сопоставима с энергией объекта воздействия. В действительности энергетика эффективного управления несоизмеримо мала по сравнению с мощностью управляемых процессов. Например, управление процессом кристаллизации расплава осуществляется в диапазоне частот, который соответствует спектру поглощения кластерами жидкой фазы, находящиеся в более активной промежуточной области, называемой мезофазой.
В нелинейных открытых системах при слабом резонансном управляющем воздействии идет процесс самоорганизации, который заключается в синхронизации фазовых траекторий кластерных надмолекулярных структур в мезофазе на резонансных частотах. Это обеспечивает условие локального и когерентного снижения энтропии среды, роста температуропроводности мезофазы, согласованного увеличения предэкспонент и, следовательно, констант скоростей термически активируемых процессов. При этом мезофаза представляет собой сложную иерархическую композицию различных по размеру и составу кластеров: (гель-фракции), содержащих от нескольких единиц до сотен тысяч молекул (золь-фракции) определённой направленности. Причём, если оценить хотя бы свойства комплексов гель-фракции, то собственные частоты их колебаний оказываются как раз в радиочастотной области мегагерцевого диапазона, которые способны к резонансному отклику (осцилляциям) на слабый периодический регулятивный сигнал.
Далее переход "гель-золь" обеспечивается за счёт согласованных колебательно-вращательных движений наноструктур. В результате образуется канальная структура мезофазы и возможен скачкообразный перенос внутренней энергии на большие расстояния, т.е. своеобразный тепловой пробой. Происходит быстрое выравнивание температур и, как следствие, пространственное усреднение целой гаммы характеристик продукта, а также гомогенности состава. Такой энергозатратный режим обеспечивается слабым регулятивным воздействием, а теплота кристаллизации, удерживаемая в этом объеме, становится достаточной для развития неустойчивости системы, которая приводит к спонтанному росту скорости фронта кристаллизации, наблюдаемому в эксперименте.
Установлен эффект сокращения времени кристаллизации металлов и сплавов в режиме фонового акустического воздействия. Этот эффект был проверен количественно лабораторными опытами по кристаллизации олова, свинца, алюминия и некоторых сплавов на их основе. При повторных циклах кристаллизации металлов отмечается эффект фазово-переходной памяти, который заключается в том, что металл «запоминает» ранее проведенное фоновое акустическое воздействие, сохраняя эту информацию на протяжении нескольких циклов. В установившемся режиме генератор импульсов тока можно отключить, а память какое-то время сохраниться. Это то, что понимается под фазово-переходной памятью. Она заключается в формировании в режиме фонового резонансного электромагнитно-акустического управления кластерных структур с одинаковыми параметрами (неравновесными химическими потенциалами), что делает систему устойчивой по отношению к случайным внешним воздействиям и малым внутренним флуктуациям.
Потребность в такой эволюционной модели ощущалась давно, особенно при формировании реальных структур материала, но стала насущной в связи с развитием нанотехнологиии. В нанотехнологии используются вещества, состоящие из твердых частиц нанометрового диапазона, т.е. находящихся в «наносостоянии». Через «наносостояние» вещество проходит на ранней стадии эволюции, когда только что зародившиеся частицы фаз еще не успели укрупниться, например, на ранней стадии первичной и вторичной кристаллизации, гальваники, рекристаллизации, фазового перехода и т. д.
Однако «наносостояние» обычно кратковременно и удерживать это состояние непросто. Это обстоятельство дало толчок к расширению исследований эволюционного процесса в целом. Такой подход позволил рассматривать любую структуру как самостабилизирующийся энергетически обусловленный комплекс, рассматривая развитие открытой термодинамической системы. В процессе эволюции структуры наблюдается последовательный переход такой системы из данного состояния в ряд состояний с уменьшающей энтропией (возрастание упорядочения структуры и в тоже время структурной сложности), причем исходное состояние должно отстоять далеко от равновесного состояния. Иными словами, состояния, близкие к равновесному, являются «слишком» устойчивыми, ибо возмущенная система возвращается каждый раз в равновесное состояние. Никакого развития системы не будет, ибо открытая система вблизи от равновесия «излишне» стабильна и не способна к эволюционному развитию.
В таких случаях существуют пороговые, критические значения соответствующих параметров, при которых возникает неустойчивость системы как потенциальный источник эволюционного развития. Неустойчивость системы означает, что при этих критических значениях параметров флуктуации, всегда существующие в системах или регулятивно наводимые в систему, не ослабляются, как в устойчивых системах, а в результате нелинейных, например, автокаталитических процессов усиливаются. Особое значение имеет самоорганизация системы и ее волновой характер при энергетических воздействиях. Флуктуации достигают макроскопического уровня и вызывают скачкообразный переход системы в новое устойчивое состояние с уменьшившейся энтропией. Появляется направленный процесс развития как последовательное возникновение неустойчивостей и соответствующих скачкообразных переходов в сторону усложнения реальной структуры материала.
Происходит развитие системы, называемое «порядок через флуктуации». Система обретает гетерогенные свойства, заключающиеся в том, что ее характеристики (концентрации компонентов, плотность, вязкость, удельная теплоемкость и др.) в объеме системы изменяются скачком (разрывом) на границах раздела фаз. Особое значение здесь играют появление промежуточных фаз переменного состава, мезофазы, химических соединений гетерогенной системы, неотъемлемым признаком которой является наличие фаз различных по физическим свойствам или по химическому составу. Таким образом, очевидным оказывается выбор технологий с возможностью мониторинга и управления физико-химическими процессами в процессе обработки композиционных и наноструктурированных материалов в противоположность традиционным способам подготовки вещества. Такие материалы в подавляющем большинстве реактивны по отношению к электромагнитным полям радиоволнового излучения. Но они способны возбудить в любой конденсированной среде механические колебания (акустические волны), способные выполнять функцию эффективного регулятивного фактора. Необходимо найти амплитудно-частотный оптимум и способ введения сигнала в конденсированную систему.