ИФХЭ РАН

А.Е.Чалых: «Первое, что осталось в памяти — это семья.

Моя мама закончила Киевскую консерваторию, папа играл на скрипке в студенческом симфоническом оркестре. Я исключение – я закончил музыкальную школу, и с тех пор «терпеть не могу рояль», хотя мой сын К.А.Чалых музыкант и немного композитор».

«Когда я недавно приехал к своей дочке, доктору химических наук, нашей выпускнице Анне Анатольевне Щербиной, которая работает в Менделеевском институте проректором по науке, оказалось, что ее рабочее место — в той же самое комнате, где почти 20 лет работал ее дедушка», - рассказал А.Е. Чалых.

«В 1967 году я работал старшим научным сотрудником в Институте пленочных материалов и искусственной кожи. К XXIII съезду КПСС институт подготовил для каждого делегата новый партийный билет. При его изготовлении использовался краситель «алый красный». На склад поместили почти 2000 билетов. За две недели до открытия съезда оказалось, что билеты склеились, а краситель из них выпотевает и оставляет следы на руках. Что делать?

Ответственным за решение этой проблемы был назначен академик Петр Александрович Ребиндер, а непосредственным исполнителем — кандидат химических наук Влодавец Игорь Николаевич. Чтобы разобраться, почему наблюдается такой эффект, они предложили снять диаграмму фазовых состояний в системе нитроцеллюлоза — касторовое масло. Я сделал интерферометр и пригласил Петра Александровича, чтобы он посмотрел, как в такой системе происходит процесс взаимной диффузии. Оказалось, что композиция перерабатывалась при высокой температуре - выше 150 градусов. При понижении температуры образуется сетчатая структура, которая «выдавливает» из себя пластификатор вместе с красителем. Происходит фазовый распад, и слой покрытия разделяется на два: сверху слой пластификатора с красителем, который обладает высокими адгезионными свойствами, а снизу - нитроцеллюлозное покрытие. Петр Александрович посмотрел на бимодальную кривую, которую мы построили, обрадовался и сказал, что ему все понятно. Он предложил изменить композицию, введя в качестве модификатора дибутилфталат. Мы сделали диаграмму фазовых состояний для новой системы и увидели, что фазовое равновесие сдвинулось, и мы попали в область истинных растворов. Тогда мы выпустили новую партию и получили премию за решение этой задачи. Петр Александрович, анализируя проведенное исследование, заявил, что автор этой методики должен работать в Институте физической химии Академии Наук и обратился с этой просьбой к заместителю директора ИФХ АН В.М. Лукьяновичу.

Получилось, что в наш Институт (в то время ИФХ АН СССР) я пришел в 1968 году. С тех пор работаю в одной и той же комнате в контакте с блестящими учеными – А.П. Захаровым, А.Е. Городецким, В.В. Матвеевым, Э.И. Евко.

Запомнилась такая неожиданная история. В конце 70-ых гг. на Минском радиозаводе, который изготавливал корпуса для телевизоров, прогремел взрыв. Корпуса изготавливались из дерева с лаковым покрытием с применением полиэфирной смолы; затем они шлифовались и полировались. Пыль от полировальных машин скапливалась в воздуховодах, и в какой-то момент из-за искры от электромотора произошел взрыв. Погибли люди.

По инициативе директора Института решением проблемы занимались мы. Нам привезли эту пыль. Мы определили ее дисперсные характеристики, идентифицировали фазовый состав. Директор Института Виктор Иванович Спицын попросил нас исследовать ее пожаро- и взрывоопасные характеристики. В В.И. Спицын приезжал к нам в лабораторию, в наш подвал, и смотрел, как происходит распространение пламени по слою пыли, нанесенному на поверхность подложек. После этой работы по решению Центрального Комитета нашему институту было выделено 11 новых штатных единиц. К нам на работу пришли такие замечательные исследователи, как Алиев Али Джавадович, Авдеев Николай Николаевич, Попова Елена Дмитриевна, Рубцов Алексей Евгеньевич. Мы определили температуру вспышки, критические концентрации, содержание примесей в газовой фазе, детонационные характеристики пылевоздушных систем. Но все наши исследования оказались никому не нужными, потому что в Министерстве было принято решение отказаться от деревянных корпусов и перейти на ударопрочные блок-сополимеры.

В то время в физикохимии полимеров начался «надмолекулярный» ажиотаж. Академик Валентин Алексеевич Каргин и профессор Григорий Львович Слонимский опубликовали установочную статью, в которой утверждали, что все свойства полимеров и материалов определяются надмолекулярной структурой. Надмолекулярной структурой они назвали то, что имеет размеры больше размера макромолекулы. Валентин Алексеевич говорил, что это дисперсная система. Академик П.А. Ребиндер выступал против. В дискуссии на вопрос Петра Александровича «Есть ли у надмолекулярных структурных элементов граница раздела?» Каргин отвечал, что границы раздела нет. Ребиндер отвечал: «Тогда это не то, что Вы говорите». Интересно, что эти горячие споры происходили на защите докторской диссертации Николая Филипповича Бакеева (с 1992 г. - академик), где я присутствовал. Это была замечательная академическая школа.

В этот самый момент П.А. Ребиндер, выступая оппонентом у Н.Ф.Бакеева, сформулировал представление о сиботактических структурах, которые стали стандартной терминологией при описании структур некоторых олигомеров и сшитых полимеров.

Наша лаборатория была привлечена к решению этой задачи с двух точек зрения. Петр Александрович, зная, что мы занимаемся диффузией, обратился к нам с просьбой рассчитать время, в течение которого надмолекулярные структуры могут существовать в полимерах. Оказалось, что живет такая структура всего навсего 10-2сек, т.е. природа их стабильности связана с иными механизмами.

В то время перед нашей лабораторией встала задача - разработать метод структурного травления полимеров. Для изучения структуры гетерогенных материалов и сплавов это стандартная процедура, но в полимерах это почему-то вызывало отрицательные эмоции. Мы решили сделать универсальную методику, используя плазмохимическое воздействие на поверхность полимерных материалов. В отличие от других ученых, работавших в той же области, мы начали с изучения реакционной способности плазмы; определили энергию и концентрацию электронов, концентрацию атомарного кислорода, энергию и поток ионов в этой системе. Мы создали установку, которая позволяла работать в любом газе (аргон, атомарный кислород, гелий), выделять ионную составляющую фазового воздействия на полимерный материал. У нас получились удивительные вещи. Оказалось, что все полимеры травятся, но скорость травления различна. Мы идентифицировали компоненты и разработали модель фазово-химического разрушение полимеров.

Возьмем, например, аморфный полиэтилентерефталат. На поверхности возникают глобулярные образования, которых теперь принято считать доменной структурой полимера. Раньше мы интерпретировали эти глобулы как клубки макромолекул. Сейчас подход несколько иной, потому что мы основываемся на теории блобов, разработанной де Женом. Изучая кривые, мы впервые выделили два участка — один, где структуры только формируются, и второй, где происходит растравливание и рост шероховатости. В результате было сделано предположение о миграции продуктов травления по поверхности.

Некоторое время мы работали совместно с французскими учеными, которых интересовало, как изменяется структура полиэтилентерефталата при его обработке набегающим атомарным кислородом на космической станции на высоте 70 км.

Против нашей модели структурного травления выступили два крупных ученых физико-химика: член-корреспондент РАН Константин Васильевич Чмутов и академик РАН Борис Петрович Жуков. Один и другой заявляли одно и то же: «Как вы можете говорить о структуре полимера, если вы реализуете процесс горения полимера, пусть даже в специфических условиях. Разве по результатам горения дров можно сказать о структуре дерева?».

Поэтому мы пришли к заключению, что должны доказать свою точку зрения прямыми методами. Для этого нам пришлось провести большую работу вместе с Александром Исааковичем Китайгородским. Надо было идентифицировать размер кристалликов, большой и малый периоды, определить плотность аморфной и кристаллической фазы, и на основании этих данных построить модель и показать, как происходит растравливание аморфного материала. Такая работа была выполнена впервые.

Была определена скорость травления аморфной и кристаллической фазы, оценена скорость линейного движения фронта травящего агента и формирования соответствующего рельефа. Оказалось, что расчетное время травления, необходимое для формирования заданной структуры, составляет от 5 до 1 минуты.

На основании изучения аморфной области полимера и энергии активации травления кристалла мы построили модель теплового старения полимеров. Эта работа получила премию Ленинского комсомола.

Неожиданно к нам обратились академики Б.П. Жуков и В.А.Тартаковский с просьбой оказать помощь в изучении продукта «413». Цех по производству этого продукта был выстроен в Кронштадте, где средняя влажность в течение года - 80%. И совершенно неожиданно обнаружилось, что в ходе хранения материала во влажных условиях происходит изменение его дисперсного состава. Была поставлена задача: нанести на поверхность кристаллов полимерные пленки, которые стали бы диффузионным барьером для проникновения воды в кристаллы. Результат, несмотря на выделенные очень большие деньги, был получен отрицательный. Мы утверждали: таким способом защитить продукт «413» от проникновения воды нельзя. Академик Жуков собрал совещание, мы выступали с докладом и говорили о том, что гидратную точку сместить путем нанесения полимерной пленки не получится. Но, если создать оболочку, которая при отверждении создает большие сжимающие напряжения, то можно сдвинуть эту точку на требуемую величину. Мы разработали технологию получения такого слоя на основе эпоксидной смолы и формальдегида. Действительно, нужный эффект был достигнут, однако теперь изменилась баллистика горения продукта. Борис Петрович Жуков принял единственно правильное государственное решение: перенести цех из Кронштадта в другое место - туда, где средняя влажность в течение года меньше 20%. Все участники этого проекта (а в нем приняли участие также профессор Бартенев Г.М., профессор Сарахов) получили ордена и медали.

Немного позже началась эпопея «аномальной воды». Идея состояла в том, что в капиллярах за счет поверхностных явлений происходит образование новой «поливоды», которая обладает иными температурами замерзания и кипения, иным давлением пара, иной вязкостью. Член-корреспондент АН СССР Борис Владимирович Дерягин предположил, что возникает новое состояние воды. Весь мир стал заниматься поиском ответа на вопрос, почему это происходит. Виктор Иванович Спицын тогда вызвал меня и Андрея Петровича Захарова и изрек, что мы должны сделать электронограмму воды. Наш электронный микроскоп работает в вакууме, значит, надо было разработать криогенную методику, чтобы это реализовать. Мы создали методику, получили электронограмму и установили, что наш объект — это гель кремниевой кислоты. Докладываем Дерягину, и он говорит: «Нет, не может быть, я сам проведу перерасчет». В это время он выдвигался на звание академика и делал доклад на семинаре у Якова Борисовича Зельдовича в Физическом Институте им. Лебедева. Борис Владимирович утверждал, что плотность «поливоды» — 1.4. Тогда Зельдович пригласил младшего научного сотрудника: «Расскажите Ваши результаты». Молодой человек рассказал, что происходит с водой при увеличении давления до 1000 атмосфер. Плотность воды меняется и достигает до 1.4. Однако, если давление убрать, плотность снова возвращается к 1. Зельдович сказал, что это прямое доказательство того, что даже при такой плотности структурных изменений в воде не происходит.

После этого Виктор Иванович Спицын и Михаил Петрович Глазунов еще раз исследовали «аномальную» воду и количественно показали, что в ней присутствуют оксиды кремния. Позднее академик Дерягин и профессор Н.В. Чураев написали монографию, в которой показали, что вода в капиллярах в процессе конденсации увеличивает свои селективные свойства, и в ней повышается растворимость кварца.

Следующей запавшей в память работой была статья по переходным зонам в полимерных адгезионных системах. Статья попала на отзыв к Борису Владимировичу Дерягину. Проходит месяц, два, а никакой реакции нет. Мы с В.В.Аслановым наконец решились и пришли к Дерягину и спрашиваем: что не так? Представлены данные электронной микроскопии, рентгеновского микроанализа, интерференции. Он помолчал, наклонил голову и говорит: «Мы все это сделали уже давно». Мы ответили: «Как? Мы знаем Ваши работы». Он продолжает: «Нет, вы не умеете читать. Читать надо между слов. Идите». Мы ушли, прочитали «между слов» и пришли к выводу, что мы должны разработать классификацию переходных зон, на основе которой можно рассматривать адгезионные взаимодействия, возникающие в клеевых соединениях полимеров. Ввели понятия структурно-механической зоны, структурно-градиентной, концентрационно-градиентной и комбинированной зон. Эти зоны позволяют весь спектр клеевых соединений полимеров разобрать и понять, что и как формируется. Мы пришли к заключению, что наиболее интересны для нас структурно-градиентные зоны. Они формируются в результате эпитаксиального изменения структуры при контактах между адгезивом и субстратом.

В 80-е годы мы стали более детально заниматься ролью диффузионных процессов при реакциях полимеризации. Мы измерили константу массопереноса мономеров в полимерах, олигомеров в полимерах, в сетках. Вопросами эмульсионной полимеризации тогда занимался Андрей Никодимович Праведников из НИФХИ им. Карпова. В нашем институте этими вопросами занимались Валентина Ивановна Елисеева и Татьяна Рафаэльевна Асламазова. Их интересовали смесевые композиции и полимеризация в латексных частицах, размер которых составляет несколько сотен нанометров. Возникал вопрос: как же происходит фазовый распад в такой частичке, если расстояние от ядра до оболочки очень небольшое. Не происходит ли сток на поверхность тех полимеров, которые возникают при полимеризации? Эта работа выполнялась совместно с лабораторией Праведникова. Мы разработали методику, получили частицу и измерили диаграмму фазовых состояний в системе «полимер — поверхностно-активное вещество». В качестве ПАВ выбирались нерастворимые в воде силаксановые компоненты. Оказалось, что, пока ПАВ растворимо в мономере, то все нормально, раствор диспергирован, и в нем образуются частицы. В процессе полимеризации растворимость ПАВ в мономере резко падает, вещество выталкивается на поверхность, и поверхностный слой упрочняется. Разработанная нами методика позволила проанализировать, как распределяется плотность внутри латексной частицы, и показать, что в процессе полимеризации образуется такая плотная оболочка, которая предотвращает усадочные явления при полимеризации. Сейчас мы продолжаем эту работу и получаем интересные данные.

90-е годы. Было достаточно тяжело. Директором института был Юрий Михайлович Полукаров. На совещаниях он ставил одну и ту же задачу: надо научиться зарабатывать деньги, причем так, чтобы хозяйственные договора шли через наш институт, вместо того, чтобы Институт нанимали в качестве соисполнителя.

В лаборатории мы организовали малое предприятие, которое называлось «Ассоциация «Адгезия». К большому нашему счастью, мы получили заказ на выполнение работы от «Транснефти». Это был большой заказ, на несколько миллионов рублей. Мы должны были разработать рецептуру эпоксидных смол, для использования в качестве защитного слоя в пространстве между муфтой и трубой с дефектом. Вся сложность заключалась в том, что «Транснефть» поставила задачу реализовать эту технологию для Арктики, где средняя температура — минус 25 градусов. Нам удалось решить эту задачу. Мы сыграли на том, что начало реакции отверждения, которая сопровождается большим выделением тепла, происходит уже в смеси. Мы получили прекрасные результаты.

2000 год — новый этап развития нашего Института. В нашем Институте появляется новый директор - академик Аслан Юсупович Цивадзе. В нашей лаборатории основное внимание уделяется фундаментальным исследованиям.

Миссия нашей лаборатории остается неизменной: помогать сотрудникам нашего Института выполнять исследования с использованием самых современных методов анализа. И наша лаборатория, с ее мощной приборной базой, профессиональными сотрудниками, патриотами Института, помогает всем, кто к нам обращается с той или иной просьбой, идеей или предложением.

В последующие годы в лаборатории структурно-морфологических исследований мы предполагаем развивать следующие фундаментальные направления:

1. Моделирование бинодальных и спинодальных кривых диаграмм аморфного фазового равновесия;
2. Построение обобщённых диаграмм фазового равновесия, включающие условия переработки полимеров и эластомеров;
3. Расчет термодинамических параметров смешения полимеров;
4. Обобщение данные в виде обзоров и монографий;
5. Трансляционная подвижность макромолекул;
6. Кинетика фазового распада на разных стадиях структурообразования.