НАНОСТРУКТУРИ В ПОВЕРХНЕВИХ ШАРАХ ВУГІЛЬНОЇ РЕЧОВИНИ

Портнов, В., Юров, В., Рева, М., Маусимбаєва, А., Іманбаєва, С. (2021). NANOSTRUCTURES IN THE SURFACE LAYERS OF COAL MATTER. Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Геологія, 4(95), 54–63. https://doi.org/10.17721/1728-2713.95.07

За сучасними уявленнями під поверхневим шаром сполук розуміють надтонку плівку, властивості, структура та склад якої відмінні від кристалічної підкладки, з якою цей шар перебуває в термодинамічній рівновазі. Поверхневий шар складається із двох шарів – d(I) товщиною h = d, за якої відбувається фазовий перехід, і d(II) з нижньою межею h ≈10d, після якої починають проявлятися фізичні властивості кристала. Показано, що товщина поверхневого шару d(I) визначається одним фундаментальним параметром – молярним (атомним) об'ємом елемента  = М/ρ, де М – молярна маса (г/моль), ρ – густина (г/см3). Середньостатистична структурна одиниця вугілля відповідає вищим фулеренам із числом атомів вуглецю в кластері >100, що є унікальною особливістю вугільної речовини, яка являє собою не кристалічну структуру, а складний полімер з надмолекулярною структурою. Товщина поверхневого шару вугільної речовини на два порядки більша товщини чистих металів і близька до товщини поверхневого шару вищих фулеренів С96 (135 нм). Збільшення пористості вугільної речовини до 90 % призводить до збільшення товщини поверхневого шару d(I) на порядок, тобто до 2 мкм. У зв'язку із цим "уявна" зміна радіуса вугільної частинки означає зміну її маси, пропорційну виділенню метану з твердого розчину. Установлено залежність часу повного розпаду вуглеметану 0 від параметра |λ|. Отримано рівняння, у яке входить відношення потоку тепла, внесеного в пласт за рахунок внутрішнього процесу тепловиділення, до потоку тепла, який виноситься з пласта за рахунок теплопровідності. У разі якщо це відношення перевищить деяку критичну величину порядку одиниці, виникає тепловий вибух, що призводить до розпаду вуглеметану. Розмірні ефекти в шарі d(I) визначаються всім колективом атомів у системі (колективні процеси). Такі "квазікласичні" розмірні ефекти спостерігаються тільки в наночастинках і наноструктурах. Шар d(I) для вугільної речовини змінюється від 151,5 нм (Антрацит) до 214,2 нм (Бурий). Розмірна температура наночастинки вугілля при початковій температурі Т0 = 300 К дорівнюватиме не менше Tm = 872 K. Це відповідає частинкам порядку пів мікрона. Вугільні частинки з радіусом близько одного мікрона (або відміченого пів мікрона) у разі розкладання вугільної речовини прогріваються до температур, за яких можливе самозаймання наночастинок. Гігроскопічна волога в генетичному ряду кам'яного вугілля має певну закономірність зміни і корелює з товщиною їх поверхневого шару.