Активное молекулярное сито

Активное молекулярное сито

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к молекулярным ситам, предназначенным для селективного разделения многокомпонентных сред, а также для выполнения функции наномембранных реакторов, обеспечивающих расширение возможностей осуществления химических реакций и разделения их продуктов.

Молекулярные сита имеют широчайший спектр конечных приложений. В последние годы в связи с ростом экологических и энергетических проблем появился комплекс технологий - «сжигание топлива с нулевым выбросом», где наиболее перспективным является сжигание в атмосфере кислорода (полное сжигание). Уже существует несколько проектов тепловых электростанций, ориентированных на сжигание угля в кислороде, разбавленном СО₂ (www.inno.ru/projects/23440/project23590.shtml). С повышением концентрации кислорода процесс горения интенсифицируется, поэтому в чистом кислороде хорошо горят даже низкокачественные виды топлива. Это позволяет не только получить полное сгорание традиционных видов топлива, но также открывает возможности использования разных новых видов биотоплива и мусора без существенных подготовительных преобразований. Получаемый самым распространенным криогенным способом кислород (вымораживание воздуха ниже -150°С), по некоторым оценкам, повысит стоимость производства электроэнергии на 30%. Кроме того, этот метод предполагает отдельный кислородный завод, что может быть целесообразно для масштабных потребителей, но неприемлемо для малых. Выход ищут в развитии мембранных технологий воздухоразделения. Согласно оценкам развитие новых сложных технологий ресурсосбережения становится экономически целесообразно уже при стоимости барреля нефти от 40$. Таким образом, можно сделать вывод о существенной востребованности указанных технологий как на текущий момент, так и в обозримой перспективе.

В настоящее время только 4-5% мировой потребности в кислороде удовлетворяется с применением молекулярных сит (RU 2297276, 20.04.2007). Малая доля распространения молекулярных сит в задаче разделения воздуха обусловлена следующими факторами. Основу существующих систем данного типа составляют сорбенты на основе цеолитов или родственных им материалов. Поскольку принцип их работы основан на сорбции азота из потока воздуха, то возможная производительность, достижимая в рамках таких систем, оказывается существенно ограниченной. Адсорбционная емкость коммерческих цеолитов составляет от 3 см³/г (US 5266102, 30.11.1993, и 6087289, 11.07.2000) до 15-20 см³/г (RU 2297276 и IN 181823, 30.10.1998). Таким образом, для обеспечения производства кислорода в промышленных объемах (несколько десятков тонн в день и выше) требуются либо тысячи тонн сорбента, либо регулярное осуществление процедуры регенерации отработавшего сорбента. В результате в условиях промышленных объемов производства данный метод проигрывает в эффективности криогенному фракционированию воздуха. Кроме того, существенное значение имеют такие недостатки входящих в существующий уровень техники воздухоразделительных сорбентов, как чувствительность к влаге, необходимость процедуры активации сорбента, предполагающей многочасовой медленный нагрев во избежание гидроксилирования, ограниченная селективность относительно кислорода (составляет 2-7 при нормальных условиях (US 4481018, 06.11.1984, 5114440, 19.05.1992, 5174979, 29.12.1992, IN 181823, RU 2297276)), ограниченная степень очистки получаемого кислорода, которая составляет, как правило, 95-96%, и др.

Кроме энергетики, молекулярные сита имеют широкое применение в химической промышленности (селективное разделение газов, селективное выпаривание жидкостей; в частности, экологически безопасные и ресурсосберегающие процессы получения ценных нефтепродуктов из природного и попутного газов, селективное выделение биогаза при переработке органических отходов и т.д.), в пищевой промышленности (в частности, переработка вторичного пищевого сырья с выделением ценных компонентов), в медицине (мембранные дозаторы и пролонгаторы лекарственных препаратов, аппараты для плазмофереза и оксигенации крови, искусственная поджелудочная железа, искусственная почка и др.). Можно отметить также такие приложения, как энергосберегающее опреснение воды, очистка сточных вод с выделением ценных компонентов в промышленности и коммунальном хозяйстве, дезактивация кислородом стоков, кондиционирование помещений, хранение в атмосфере азота с целью предотвращения порчи и возгорания и др.

Молекулярные сита представляют интерес также с точки зрения реализации наномембранных реакторов. Данные системы образуют чрезвычайно перспективный подход в решении задач крупнотоннажной промышленной химии и обеспечивают одновременно эффективный синтез, разделение и очистку получаемых химических соединений (в частности, ароматических углеводородов) при низком энергопотреблении. Каждая пора наномембранной структуры выполняет роль реактора, в котором осуществляется единый цикл химических превращений и разделения продуктов реакций.

Общим недостатком входящих в существующий уровень техники молекулярных сит является то, что их селективность основана исключительно на стерических эффектах, таких как различия в размере и форме разделяемых молекул (по данному признаку существующие молекулярные сита можно охарактеризовать как пассивные). Для того чтобы обеспечить высокую селективность к молекулам целевых типов, необходимо с высокой точностью обеспечить соответствие геометрических параметров и элементного состава пор кинетическому диаметру и параметрам электронной оболочки целевых молекул. Столь мощные и универсальные методы инженерии пор под параметры целевых молекул на настоящий момент отсутствуют. Более того, для ряда молекул существенное значение имеет фактор их пространственной ориентации вблизи входа в пору, что не поддается контролю в случае пассивных молекулярных сит. Это сужает линейку пригодных для разделения сред и снижает общую эффективность таких систем. Отметим, что в случае составляющих существующий уровень техники молекулярных сит, которые выполнены, как правило, из диэлектрических материалов, очистка пор также составляет одну из существенных проблем. Для ее решения применяют специальные механические (промывка), термические (нагрев сита внешним источником) и химические (химически активная промывка) методы, что удорожает и усложняет процедуру эксплуатации систем на основе пассивных молекулярных сит.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании молекулярного сита нового, активного типа, которое исключает указанные выше недостатки молекулярных сит.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении молекулярного сита нового, активного типа, характеризующегося следующей функциональностью:

1) в порах молекулярного сита поддерживается электрическое поле с заданной величиной, пространственной конфигурацией и временной зависимостью. Поддержание заданного электрического поля обеспечивает перераспределение электронной плотности попадающих в поры молекул. Поскольку параметры этого перераспределения зависят от типа молекулы, то таким образом могут быть усилены различия в эффективных линейных размерах молекул и их Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии со стенками пор. Это способствует различию проницаемости пор для молекул различных типов. В случае создания в порах переменного электрического поля могут быть использованы кинетические эффекты, связанные с различием характерного времени транспорта через пору для молекул различных типов. Указанные факторы позволяют управлять селективностью молекулярного сита;

2) поляризованные молекулы разделяемой среды испытывают ориентацию вдоль силовых линий поля. Это обеспечивает контроль пространственной ориентации молекул внутри поры, а также в области вблизи входа поры, что имеет существенное значение для протяженных молекул и молекул сложной формы. Поляризованные молекулы испытывают также поступательное движение в направлении градиента поля, что позволяет организовывать направленный транспорт молекул внутри поры, а также в области вблизи входа поры;

3) в отличие от случая пассивных молекулярных сит, параметры которых фиксированы и определяются возможностями используемой технологии формирования, предлагаемые активные молекулярные сита позволяют непрерывным образом настраивать свои функциональные параметры на целевые молекулы посредством изменения параметров электрического поля в порах. Отметим, что данная функциональность существенна, поскольку во многих практически важных приложениях размеры разделяемых молекул лишь незначительно отличаются друг от друга (например, кинетический диаметр молекулы кислорода составляет 0,346 нм, а кинетический диаметр молекул основной компоненты воздуха - азота, составляет 0,364 нм);

4) в случае одного из аспектов изобретения обеспечивается возможность изменения in situ эффективной геометрии пор в результате Кулоновского взаимодействия составных частей поры. Это позволяет как изменять стерическое взаимодействие поры с молекулами разделяемой среды, так и использовать для транспорта молекул эффекты резонансного и волнового механического движения;

5) в случае одного из аспектов изобретения обеспечивается режим самоочистки пор, в частности, посредством контролируемого локального нагрева каждой поры проходящим через определенные составные части поры электрическим током. Это позволяет контролировать десорбцию молекул и частиц посредством термической и токовой активации процесса десорбции. Кроме того, в рамках локального нагрева поры возможно достижение быстрого расширения среды, заполняющей пору (в частности, сопровождающегося фазовым переходом жидкость - газ) с механическим выталкиванием содержимого поры. Интенсивность данного процесса может контролироваться в широких пределах;

6) создание в порах контролируемого электрического поля позволяет оказывать дополнительное влияние как на транспорт, так и на саму реакционную способность находящихся в порах агентов химических реакций и обеспечивает тем самым выход на нереализуемые в обычных условиях цепочки химических превращений. Это актуально для приложения молекулярного сита в качестве наномембранного каталитического реактора.

Указанный технический результат достигается в молекулярном сите, включающем множество пор, протяженность которых по меньшей мере в одном измерении составляет менее 100 нм, причем в состав каждой указанной поры входит по меньшей мере 1 электрод, электрически соединенный со средствами контроля напряжения смещения, в состав указанного электрода входит как минимум одна нанотрубка или нанопроволока.

Множество пор разделено на одно или более подмножеств, причем однотипные электроды, входящие в состав пор общего подмножества, электрически соединены друг с другом.

По меньшей мере один из электродов каждой указанной поры выполнен из материала, обеспечивающего упругую деформацию данного электрода в ответ на воздействие, оказываемое посредством силы Кулона со стороны другого электрода поры или комбинации электродов поры.

По меньшей мере один из электродов каждой указанной поры выполнен из материала, обеспечивающего пластичную или упруго-пластичную деформацию данного электрода в ответ на воздействие, оказываемое посредством силы Кулона со стороны другого электрода поры или комбинации электродов поры.

Указанный электрод представляет собой углеродную нанотрубку.

В состав каждой указанной поры входят два электрода, первый электрод является частью проводящего слоя аморфного углерода или химически инертного металла, в котором выполнены поры сита, а второй электрод представляет собой углеродную нанотрубку, причем первый и второй электроды пространственно отделены и не касаются друг друга.

Указанный второй электрод представляет собой многослойную углеродную нанотрубку с как минимум одним удаленным внешним слоем, где указанное удаление совершено посредством локального анодного окисления, а в качестве материала указанного первого электрода выбран химически инертный металл.

Поверхность указанной углеродной нанотрубки и поверхность указанного первого электрода образуют зазор, ширина которого составляет менее 0,4 нм.

Зазор между поверхностью указанной углеродной нанотрубки и поверхностью указанного первого электрода образован посредством локального анодного окисления части материала первого электрода.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано схематическое изображение структуры, соответствующей промежуточному этапу формирования одного из вариантов реализации активного молекулярного сита; на фиг.2 - схематическое изображение, соответствующее промежуточному шагу процесса формирования варианта поры активного молекулярного сита, где данный шаг предшествует формированию рабочего объема поры; на фиг.3 - схематическое изображение, соответствующее промежуточному шагу процесса формирования варианта поры активного молекулярного сита, где рабочий объем поры сформирован; на фиг.4 - схематическое изображение, соответствующее промежуточному шагу процесса формирования варианта поры активного молекулярного сита, где электроды поры переведены в состояние механического контакта; на фиг.5 - схематическое изображение, соответствующее промежуточному шагу процесса формирования варианта поры активного молекулярного сита, где выходной электрод покрыт изолирующим или проводящим слоем; на фиг.6 - схематическое изображение, соответствующее промежуточному шагу процесса формирования поры активного молекулярного сита для варианта, соответствующего наличию дополнительного электрода в поре; на фиг.7 показано схематическое изображение одного из вариантов реализации активного молекулярного сита; на фиг.8 показано схематическое изображение варианта сквозной поры активного молекулярного сита; на фиг.9 показано схематическое изображение варианта сквозной поры активного молекулярного сита, где электроды поры переведены в состояние механического контакта; на фиг.10 показано распределение напряженности (слева) и потенциала (справа) электрического поля в поре при приложении к нанотрубке положительного потенциала 0,01 В (модель получена в среде ElCut и демонстрирует эффект закрывания поры «Кулоновским зонтиком», образующимся вследствие концентрации нанотрубкой электрического поля).

Молекулярное сито включает множество пор, протяженность которых по меньшей мере в одном измерении составляет менее 100 нм, причем в состав каждой указанной поры входит по меньшей мере 1 электрод 2, 4, электрически соединенный со средствами контроля напряжения смещения, в состав указанного электрода входит как минимум одна нанотрубка или нанопроволока (фиг.1-9).

Множество пор разделено на одно или более подмножеств, причем однотипные электроды 2, 4, входящие в состав пор общего подмножества, электрически соединены друг с другом.

По меньшей мере один из электродов 2, 4 каждой указанной поры выполнен из материала, обеспечивающего упругую деформацию данного электрода в ответ на воздействие, оказываемое посредством силы Кулона со стороны другого электрода поры или комбинации электродов поры.

По меньшей мере один из электродов 2, 4 каждой указанной поры выполнен из материала, обеспечивающего пластичную или упруго-пластичную деформацию данного электрода в ответ на воздействие, оказываемое посредством силы Кулона со стороны другого электрода поры или комбинации электродов поры.

Указанный электрод 2 представляет собой углеродную нанотрубку.

В состав каждой указанной поры входят два электрода 2, 4, первый электрод 4 является частью проводящего слоя аморфного углерода или химически инертного металла, в котором выполнены поры сита, а второй электрод 2 представляет собой углеродную нанотрубку, причем первый 4 и второй 2 электроды пространственно отделены и не касаются друг друга.

Указанный второй электрод 2 представляет собой многослойную углеродную нанотрубку с как минимум одним удаленным внешним слоем, где указанное удаление совершено посредством локального анодного окисления, а в качестве материала указанного первого электрода 4 выбран химически инертный металл.

Поверхность указанной углеродной нанотрубки 2 и поверхность указанного первого электрода 4 образуют зазор, ширина которого составляет менее 0,4 нм.

Зазор между поверхностью указанной углеродной нанотрубки 2 и поверхностью указанного первого электрода 4 образован посредством локального анодного окисления части материала первого электрода 4.

Подробное описание

Как уже отмечалось в разделе «предпосылки к изобретению», существующие в настоящее время системы типа «молекулярное сито» представляют собой пассивные структуры, выполненные в виде пористого объемного или тонкопленочного материала, причем в качестве материала используются, как правило, диэлектрики, такие как оксид кремния, оксид титана, алюмосиликаты и др. (патенты CN 1341551, 27.03.2002, CN 1341550, 27.03.2002, RU 2278818, 10.09.2004, и др.). Принцип работы таких пористых структур основан на стерических эффектах, связанных с различием в размере и форме разделяемых молекул. Таким образом, имеет место определенная аналогия с принципом работы обыкновенных макроскопических сит. Из этого обстоятельства вытекает ряд существенных ограничений, которые были рассмотрены в предыдущем разделе.

В настоящем изобретении предлагается сделать кардинальный шаг в развитии систем типа «молекулярное сито» и заменить каждую пору сита на электрическое или электромеханическое устройство, обладающее определенной функциональностью при манипулировании веществом на наноуровне. В одном из аспектов изобретения эта функциональность сводится к созданию заданного электрического поля в поре при помощи расположенных в ней стационарных электродов. В другом аспекте изобретения часть электродов способна совершать механическое движение и совершать, таким образом, механическую работу. В качестве привода подвижных электродов выступает сила Кулона, действующая со стороны стационарных электродов поры. Кроме того, функциональность электромеханических структур, играющих роль пор, позволяет выйти на реализацию режима самоочистки пор (регенерация сорбционной способности), а также на манипуляцию молекулами в области вблизи входа в пору. Рассмотрим конструкцию и принцип работы предлагаемых активных молекулярных сит более подробно.

Количество электродов и их расположение в поре может быть различным. В частности электроды могут располагаться на противоположных сторонах боковых стенок поры или иметь вложенную структуру (например, коаксиальную). Отметим, что указанные электроды помимо функции создания электрического поля могут играть также конструкционную функцию, то есть образовывать рабочую поверхность поры. В составе электродов могут использоваться углеродные нанотрубки или другие протяженные нанообъекты, полученные методом самоорганизации (в данном описании для их обозначения используется общий термин «нанопроволока»).

Все множество пор молекулярного сита может быть разделено на отдельные подмножества, однотипные электроды которых электрически соединены друг с другом. Таким образом, поры, принадлежащие к общему подмножеству, могут работать только в едином режиме, поскольку напряжение смещения входящих в состав данных пор электродов будет совпадать в каждый момент времени. Поры, входящие в разные подмножества, могут работать в независимых режимах.

Принцип работы описанных пор имеет в своей основе фундаментальный эффект перераспределения электронной плотности молекулярных орбиталей во внешнем электрическом поле. Данное изменение распределения электронной плотности индивидуально для молекул каждого типа. В первом приближении склонность молекулы к перераспределению своей электронной плотности во внешнем поле можно охарактеризовать величиной поляризуемости молекулы (в общем случае - тензором поляризуемости). Величина поляризуемости существенно различается для молекул различных типов. Различия в степени поляризованности попавших во внутреннюю область поры молекул будут обуславливать различия в Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии данных молекул со стенками поры. Это различие дополнительно усиливается в случае, если контактирующая с молекулой стенка поры образована одним из электродов и имеет, таким образом, существенно нескомпенсированный поверхностный заряд. Различия в Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии в свою очередь напрямую обуславливают различия в подвижности молекул в поре. Это обеспечивает реализацию Кулоновского механизма селективности, то есть механизма избирательной проницаемости пор для молекул определенных типов.

В отличие от стерического механизма селективности, связанного с геометрией поры, которая является фиксированной, Кулоновский механизм позволяет непрерывным образом изменять транспортные параметры поры и ее селективность к молекулам тех или иных типов. Это является важным преимуществом, поскольку в общем случае не известно, как обеспечить геометрию и элементный состав пассивной поры с такой точностью, чтобы обеспечивалось эффективное использование характерных стерических особенностей целевых молекул. Так, например, в одной из наиболее разработанных задач для систем типа «молекулярное сито» - задаче разделения воздуха методом селективной сорбции азота, лучший достигнутый параметр селективности при нормальных условиях составляет 5. То есть на каждые пять сорбированных молекул азота приходится сорбция одной молекулы кислорода (RU 2297276). В случае описанного Кулоновского механизма селективности параметры электрического поля в поре могут изменяться непрерывно, что обеспечивает высокую точность настройки эффективных параметров пор на особенности целевых молекул.

Описанный Кулоновский механизм селективности может также обладать функциональностью стерического механизма, поскольку в результате поляризации молекул обеспечивается изменение их линейных размеров. Для протяженных молекул, обладающих в силу своей протяженности существенной величиной поляризуемости, данный эффект будет особенно актуальным. С учетом того, что деформация молекул может достигать 30% и более без разрушения межатомных связей, можно ожидать существенной роли указанного эффекта также для простых молекул, например молекул основных компонент воздуха. Случай, когда сила Кулона вызывает деформацию не только манипулируемых молекул, но и конструктивных элементов самой поры, будет рассмотрен ниже. Возможность непрерывного изменения параметров электрического поля в порах имеет существенное значение и для описанных стерических аспектов Кулоновского механизма селективности (настройка размеров пор и молекул друг под друга). Отметим, что в существующий уровень техники входит молекулярное сито, также позволяющее осуществлять непрерывное изменение параметров своих пор (патент США №2008184883). Принцип работы предлагаемого в указанном патенте молекулярного сита основан на изменении эффективного сечения пор при изменении температуры. Это достигается посредством применения в составе материала сита органических молекул, характеризующихся большим температурным коэффициентом расширения.

В то время как величина напряженности электрического поля в поре определяет степень поляризации молекулы, пространственная конфигурация поля определяет величину и направление нескомпенсированной силы, действующей со стороны поля на молекулу. Как известно, электрический диполь, помещенный в неоднородное электрическое поле, подвергается действию силы, направленной вдоль градиента поля. Поскольку наноразмерные электроды способны создавать сильно неоднородное электрическое поле (так называемый эмиттерный эффект), то указанный фактор может играть существенную роль в транспорте молекулы, причем не только внутри поры, но и в области, расположенной у входа в пору. В зависимости от геометрии и расположения электродов поры, а также соотношения величин подаваемого на них напряжения смещения выходящие из поры силовые линии электрического поля могут иметь различную пространственную конфигурацию. В частном случае, соответствующем общей электрической нейтральности поры, выходящие силовые линии будут быстро компенсировать друг друга в удалении от поры, однако в некой эффективной области вблизи поры будет сохраняться сильно неоднородное электрическое поле. Молекулы, оказавшиеся в данной области, будут испытывать поляризацию и ориентацию вдоль силовых линий, а также поступательное смещение в направлении градиента поля. Таким образом, может быть организован направленный транспорт целевых молекул по направлению к поре, а также их предварительная ориентация. Последнее особенно актуально для протяженных молекул и молекул сложной формы, поскольку от их пространственной ориентации может полностью зависеть результат взаимодействия с входной апертурой поры.

В случае если в состав поры входят как минимум два электрода, может быть организовано управление пространственной конфигурацией поля внутри поры. Изменяя соотношение электрических потенциалов, подаваемых на данные электроды, можно обеспечивать различную картину силовых линий результирующего электрического поля, причем изменяться может как форма, так и направление силовых линий. Посредством изменения соотношения указанных электрических потенциалов во времени можно организовать движение силовых линий электрического поля, в частности их вращение. Указанный режим перемененного электрического поля расширяет возможности Кулоновского механизма селективности. Это возможно за счет использования кинетических эффектов, связанных с различием временных характеристик процесса транспорта в поре молекул различных типов (здесь уместно провести аналогию с принципом работы так называемого времяпролетного масс-спектрометра (см., например, Агеев В.Н., Куценко Э.Н. // ЖТФ. 1969. Т. 39. С.1275), который в данном случае получил реализацию в наномасштабе). Теоретически в случае достаточно высокой частоты переменного поля вклад в различие подвижности молекул могут вносить также различия в характерном времени их поляризации или обмена зарядами.

Изменение электрического поля может быть обеспечено не только во времени, но и вдоль поры. Для этого необходимо задействовать дополнительные электроды. Наличие вдоль поры участков с различной величиной и направлением электрического поля позволяет осуществлять многостадийную сепарацию молекул, предполагающую последовательное отделение на соответствующих участках поры молекул определенных типов.

Кроме стационарных электродов пора может содержать также электроды, способные совершать механическое движение. Для приведения электродов в движение необходимо приложение силы в виде силы Кулона, действующей со стороны других электродов поры. В случае реализации подвижных электродов поры в виде упругих элементов их возврат в исходное состояние происходит по мере уменьшения отклоняющих сил за счет действия сил упругости. В случае реализации подвижных электродов в виде пластичных или упруго-пластичных элементов для возврата в исходное состояние необходимо приложить к электродам силу Кулона противоположного направления.

Технический результат реализации описанных пор с подвижными электродами заключается в следующем. Изменение геометрии подвижных электродов позволяет in situ изменять геометрию и эффективное сечение поры и тем самым изменять стерическое взаимодействие данной поры с молекулами разделяемой среды. Кроме того, указанным образом может быть достигнут также дополнительный технический результат. В случае когда подвижные электроды представляют собой упругие элементы, они могут совершать механические колебания на собственных частотах. Поскольку указанные электроды выполнены в наномасштабе, то верхний предел частоты их колебаний может достигать единиц ТГц (Tsu-Wei Chou, Zhifeng Ren, Rod Ruoff, Hai Wang. NSF Nanoscale Science and Engineering Grantees Conference. 2003) и более. Данный частотный диапазон может пересекаться с диапазоном собственных частот колебаний механической системы целевые молекулы - стенки поры. В этом случае возникнут резонансные эффекты массопереноса, способные оказывать существенное влияние на транспорт молекул в поре (в предельном случае - включать или выключать проницаемость поры для определенных молекул). Данный механизм, основанный на колебаниях, может быть обобщен для случая согласованного распространения указанных колебаний в пространстве, что обеспечивает возможность организации волновых процессов массопереноса вдоль поры.

Посредством организации определенного движения силовых линий электрического поля или определенного движения электродов поры можно обеспечить обратное движение попавших в пору молекул или частиц, то есть обеспечить регенерацию сорбционной способности пор (самоочистка пор). Однако для очистки пор может быть применен также эффект термической и токовой активации десорбции молекул или частиц. Посредством пропускания электрического тока высокой плотности через определенные электроды поры обеспечивается локальный разогрев поры до температуры, превышающей пороговую температуру адсорбции целевых молекул или частиц, что приводит к десорбции последних. Кроме термической активации десорбции может иметь место также токовая активация, связанная с передачей импульса дрейфующими носителями заряда адсорбированным молекулам, с последующей десорбцией последних. Кроме того, в рамках локального нагрева поры возможно достижение быстрого расширения среды, заполняющей пору (в частности, сопровождающегося фазовым переходом жидкость - газ), с механическим выталкиванием содержимого поры (в определенном смысле является аналогом процесса чихания у человека). Интенсивность данного процесса может контролироваться в широких пределах. Для обеспечения эффективного выделения Джоулевого тепла в поре может использоваться разъемное соединение подвижных электродов, в пятне контакта которых достигается требуемый уровень диссипации энергии носителями заряда.

Минимальным количеством электродов в каждой поре является один электрод. В этом случае варьироваться может только знак и величина напряженности электрического поля в порах с сохранением рисунка силовых линий постоянным. Отметим, что за счет Кулоновского отталкивания друг от друга частей одного электрода может быть реализован механизм изменения эффективного сечения поры. Примером может служить увеличение диаметра отверстий, выполненных в проводящем материале, при подаче на этот материал электрического потенциала достаточной величины. В указанном случае роль электродов играют сами стенки пор. Каждая пора, таким образом, содержит по одному электроду, и электроды всех пор электрически соединены между собой. С технологической точки зрения это наиболее простой способ реализации активного молекулярного сита.

Как известно, в порах молекулярного сита может не только происходить разделение молекул по типам, но могут и обеспечиваться условия для протекания химических реакций. В этом случае молекулярное сито выступает в роли так называемого мембранного реактора. Наномембранные реакторы обеспечивают одновременно эффективный синтез и разделение получаемых химических соединений при низком энергопотреблении. Каждая пора наномембранной структуры выполняет роль микрореактора, в котором осуществляется единый цикл химических превращений и разделения продуктов реакций. Данный подход в решении задач крупнотоннажной промышленной химии представляется чрезвычайно перспективным.

Создание в порах контролируемого электрического поля позволяет оказывать дополнительное влияние как на транспорт, так и на саму реакционную способность агентов химических реакций и обеспечивает тем самым выход на нереализуемые в обычных условиях цепочки химических превращений. Новые возможности, которые обеспечивают активные наномембраны (в данном контексте - активные нанореакторы) относительно традиционных объемных и мембранных реакторов, можно сформулировать следующим образом:

1) новые механизмы транспорта реагентов, позволяющие контролируемо активизировать кинетику химических процессов. Ввод и вывод реагентов могут осуществляться:

а) диффузионно;

б) для ввода реагентов может использоваться направленный дрейфовый транспорт, обусловленный движением поляризованных молекул в неоднородном поле, индуцируемом наноразмерными электродами пор;

в) стимулирование вывода вещества из пор нанореактора может осуществляться посредством быстрого повышения давления в них (нагрев наноразмерных электродов проходящим через них электрическим током) или посредством механического движения наноразмерных электродов (например, циклический изгиб электрода, в том числе резонансный, происходящий в результате переменного Кулоновского взаимодействия с другим электродом поры).

2) В активных нанореакторах обеспечивается электрическое поле, напряженность которого может достигать предельно больших величин (сравнимых с внутриатомными). Электронные оболочки молекул-реагентов в таких полях испытывают сильную деформацию, что непосредственно влияет на их реакционную способность.

3) Силовые линии электрического поля, индуцируемые наноразмерным электродом, могут иметь лучевую конфигурацию. Поляризованные молекулы-реагенты будут стремиться образовывать составные мостики вдоль силовых линий (см. результаты исследований заявителями эффекта образования молекулярных мостиков между туннельным зондом и подложкой: Доклады Академии Наук, 2007, т.412, №6, с.1-4), т.е. обеспечивается взаимная ориентация и сближение молекул (в определенном смысле согласуется с концепцией механосинтеза). Таким образом, в частности, может быть увеличена вероятность протекания целевой реакции и подавлено протекание конкурирующих реакций. Также расширяется диапазон целевых реакций, осуществимых в указанных условиях.

4) В активном нанореакторе легко обеспечить достижение сверхвысоких давлений как Кулоновскими силами (внешние слои дрейфующих в нанопору поляризованных молекул давят на внутренние), так и механическими (посредством движения наноразмерных электродов).

5) Электроды каждой поры активного нанореактора можно управляемо нагреть до высокой температуры. Может быть получена специфическая система - холодная поверхность активной наномембраны, содержащая отдельные горячие точки, причем размеры этих точек могут составлять до одного нанометра. В качестве примера отметим, что протяженные молекулы, находящиеся на такой поверхности, будут активизироваться только в отдельных своих участках.

6) К молекулам-реагентам, помещенным в поры активного нанореактора, обеспечивается непосредственный электрический интерфейс, и через них может быть пропущен электрический ток. Прием молекулами внешних по отношению к себе электронов является фактором изменения их реакционных свойств. В частности, таким образом может изменяться конформация молекул.

7) Зондирование молекул-реагентов (исследование особенностей электронного транспорта через молекулы в реакторе с целью идентификации их состояния).

8) В порах нанореактора может регулироваться магнитное поле. Магнитное поле индуцируется электрическим током, проходящим через наноразмерные электроды. С учетом малого объема пор нанореактора молекулы-реагенты будут находиться в предельной близости к источнику магнитного поля. Это упрощает задачу создания магнитного поля высокой напряженности.

9) Как и в обычных мембранных реакторах, в активных нанореакторах может быть эффективно использована роль поверхности (обеспечивается большой величиной удельной поверхности). Отличительной особенностью предложенных активных нанореакторов является возможность прецизионного контроля их геометрии in situ (обеспечивается в аспекте изобретения, предполагающем наличие в порах подвижных электродов, механическое состояние которых управляется Кулоновским воздействием со стороны других электродов поры). Эффективные размеры