Наноструктура матриц серных строительных композитов: методология, методы, инструментарий

Экономическая целесообразность применения строительных материалов с серными или серосодержащими матрицами обусловлена комплексом их эксплуатационных свойств, а также доступностью и низкой стоимостью технической серы; дополнительным эффектом применения серы в качестве вяжущего вещества является возможное снижение нагрузки на окружающую среду. Разработка строительного композита должна предваряться детальным исследованием надмолекулярной структуры вяжущего. Базой успешного применения системных методологий в нанотехнологии строительного материаловедения является определение типа доминирующего взаимодействия или класса физико-химических эффектов, оказывающих существенное влияние на структурообразование и в конечном итоге определяющих множество эффективных на данном структурном уровне теоретических и экспериментальных методов исследования. Методология исследования определяется потребностями практики, и, наряду с этим, зависит от предельно допустимых затрат времени и материальных ресурсов, требований в отношении точности и воспроизводимости результатов, необходимости получения новых теоретико-эмпирических сведений с высоким прогностическим потенциалом. Дополнительную сложность в реальном исследовании вносит наличие большого числа способов кросс-верификации результатов, полученных с использованием различных методов. На предварительной стадии теоретико-эксперимен тальных исследований структуры и свойств наномодифицированных серных строительных композитов основным методом эмпирического исследования структуры на атомно-молекулярном уровне являлась спектроскопия комбинационного рассеяния; в качестве методов, результаты которых допускают кросс-верификацию, использованы методы квантовой химии и молекулярной динамики. Выполнен сравнительный анализ спектров технической серы и контрольного образца орторомбической серы; показано, что изгибные колебания звеньев S-S-S в технической сере происходят в менее стесненных условиях. Выполнен сравнительный анализ экспериментально найденных и расчетных значений комбинационного сдвига для изолированной молекулы циклооктасеры и элементарной ячейки орторомбического аллотропа. Показано существенное отличие значений комбинационного сдвига изолированной молекулы, соответствующих высокоэнергетическим модам, от значений для ячейки кристаллической решетки. Выявлено соответствие значений комбинационного сдвига для ячейки кристаллической решетки экспериментальным данным. Данное соответствие является весомым аргументом в пользу справедливости выбранной геометрической модели молекулярного кристалла серы. Показано, что методы молекулярной динамики, успешно применяющиеся на пространственных масштабах от 10 нм и выше, на нижнем пространственном масштабе для получения адекватных результатов должны быть дополнены квантово-механическими представлениями.