Использование модельных смесей, содержащих углеродные нанотрубки, в криминалистических исследованиях

DOI:

Факт производства стрельбы подозреваемыми лицами является важной косвенной уликой, свидетельствующей о совершении преступлений с применением огнестрельного оружия. Необходимость в проведении экспертных исследований с целью установления этого факта возникает все чаще в связи с ростом числа преступлений – убийств, разбойных нападений, террористических актов и др., совершаемых с применением огнестрельного оружия.

Современная практика производства экспертиз с использованием физико-химических методов анализа находит широкое применение в исследовании продуктов выстрела. Разработанные методики предполагают получение информации о виде пороха, его сорте, определение принадлежности сгоревших, несгоревших частей, металлов и др. продуктов вы- стрела. В целях повышения качества диагностирования и установления определенного вида боеприпаса (групповая принадлежность) прорабатывается вопрос о возможности их маркирования.

Системы, применяемые для рентгеноспектрального анализа в судебно-экспертных исследованиях, и, в частности, для исследования огнестрельных повреждений используются достаточно давно. С их помощью определяют дополнительные факторы выстрела и высокоинформативные признаки, пригодные для диагностики использованных боеприпасов.

Сравнительный анализ отложения металлов выстрела, обнаруживаемых как на повреждениях, так и на коже или одежде стрелявшего, показал, что на поверхности частиц пороха, изъятых из огнестрельных повреждений, обнаруживаются различные частицы, содер- жащие такие химические элементы: Рb, Са, Si, Sb, Sn, S, Fe, Сu, Zn, W, Al и ряд других, которые могут являться как остатками ударного состава капсулей-воспламенителей, появиться как компонент пороха, входить в состав инициирующего вещества, а также могли быть перенесены в частицы пороха в процессе производства в виде примесей или введены при изготовлении пороха для придания ему тех или иных свойств или же являться материалом ствола огнестрельного оружия. Использование трассирующих или зажигательных пуль приводит к появлению в составе продуктов выстрела дополнительных элементов, таких как Ва, Sr, Mg, Na.

Образующиеся продукты выстрела отлагаются в канале ствола оружия, на боеприпасах, пораженном объекте, руках и одежде стрелявшего и предметах окружающей обстановки.

Несмотря на то что продукты выстрела содержат смесь как органических (неполное сгорание пороха), так и неорганических веществ, дискуссионными являются вопросы, касающиеся отбора проб продуктов выстрела с поверхности кисти руки или одежды стрелявшего, выявление ошибок в определении тех или иных элементов и т. п., присущих методу электронной микроскопии с микрозондовым рентгеноспектральным анализом. Это происходит не из-за ненадежности метода, а из-за внешних загрязнений и статистических факторов.

Для решения диагностических и идентификационных задач, касающихся применения огнестрельного оружия, исследователи предлагают вводить нейтральные к воздействию высоких температур и высоких давлений метки в пороховой заряд. Однако такие материалы являются достаточно токсичными к окружающей среде, поэтому в качестве меток для порохового заряда нами предложено использовать углеродные наноматериалы, например нанотрубки (УНТ).

Преимуществом данных меток является разработанность и относительная доступность процессов их получения. УНТ, применяемые в данной работе, получали каталитическим пиролизом этанола. Метод каталитического пиролиза основан на том, что газообразный источник углерода разлагается на катализаторе на углерод, который адсорбирует- ся и растворяется в катализаторе. Рост углеродных нанотрубок происходит по принципу образования зародыша углерода на поверхности капли катализатора с последующим его разрастанием и образованием наноструктуры. Меняя условия процесса, такие как катализатор и давление, имеется возможность изменять свойства УНТ – получать как наноугле-родные материалы, так и материалы, интер-калированные металлами катализатора.

С целью изучения стойкости УНТ к высоким температурам было предложено ввести их в пороховой заряд боеприпасов.

На рисунках 1–3 представлены изображения исходного углеродного нанотрубного материала, выращенного на установке CVDomna методом каталитического пиролиза с использованием Ni-Cr катализатора. Оценку размерных характеристик осуществляли методами атомно-силовой микроскопии (SolverPro, производитель NT-MDT) – полу-контактный режим, и сканирующей электронной микроскопии (сканирующий электронный микроскоп TESCAN VEGA II XMU).

Для исключения влияния посторонних частиц, образующихся в результате воздействия инициирующего вещества капсюльного состава, загрязнений вносимых от ствола огнестрельного оружия и материала пули, проведено физическое моделирование процесса образования продуктов выстрела путем сжигания бездымного пороха в тигле при атмосферном давлении. Полученный остаток исследован с помощью атомно-силового микроскопа SolverPRO в полуконтактном режиме (см. рис. 4–5). Продукты сгорания представлены преимущественно в виде полусфер, равномерно распределенных по поверхности подложки, размер которых колеблется в интервале от 300 до 650 нм.

Для определения возможности применения в качестве маркеров УНТ нами использовалась модельная смесь бездымного пороха и углеродного нанотрубного материала при различных соотношениях. Далее модельную смесь подвергали термическому воздействию при атмосферном давлении. Методом атомно-силовой микроскопии в данной модельной смеси обнаружены продолговатые структуры в форме «червей», что свидетельствует о наличии углеродных нанотруб.

Рис. 1. Увеличенное 2D изображение углеродного нанотрубного материала (катализатор никель-хром), полученное с помощью атомно-силовой микроскопии

Рис. 2. Увеличенное 3D изображение углеродного нанотрубного материала (катализатор никель-хром), полученное с помощью атомно-силовой микроскопии

Рис. 3. Увеличенное изображение углеродного нанотрубного материала (катализатор никель-хром), полученное с помощью детектора вторичных электронов (SE) сканирующего электронного микроскопа

Рис. 4. Увеличенное 3D изображение углеродного нанотрубного материала (катализатор никель-хром) и продуктов сгорания пороха, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии

Рис. 5. Увеличенное 3D изображение углеродного нанотрубного материала (катализатор никель-хром) и продуктов сгорания пороха, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии

Однако в отличие от представленных изображений (см. рис. 2, 6) на поверхности поликоровой подложки при сгорании модельной смеси наблюдаются полусферические структуры, разнообразные агломераты, которые возможно представляют собой продукты высокотемпературного как физического, так и химического взаимодействия.

Как показали результаты исследований, при введении УНТ в порох они не сгорают при достаточно больших температурах, что делает их применение в качестве маркеров возможным.

Применение наноуглеродных материалов, обладающих высокоразвитой поверхностной структурой и большим количеством оборванных химических связей, в условиях высоких температур приводит к образованию разнообразнейших агломератов, природа которых связана с их возможной химической модификацией, что наблюдалось нами при сканировании методом АСМ продуктов сгорания пороха и углеродного на-нотрубного материала.

Выводы

• 1.    В результате исследования модельных смесей продуктов сгорания бездымного пороха и УНТ с помощью метода атомно-силовой микроскопии установлено присутствие агломератов, структур, содержащих углеродные наноматериалы.

  

  Рис. 6. Увеличенное 3D изображение бездымного пороха на поликоровой подложке, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии

  
  

• 2.    Таким образом, экспериментальное изучение наноуглеродных материалов (их превращения, фазовые переходы в условиях приложения высоких давлений) является актуальным как в плане получения новых функциональных материалов, так и в плане дальнейшего развития фундаментальной науки в данной области.

• 3.    В ряде случаев можно было бы объединить преступления, препятствовать обороту боеприпасов, устанавливать групповую принадлежность по выявлению вносимых на производстве меток в порох.