В связи с обострением экологических проблем сейчас интенсивно ведутся работы по изучению гелей с целью их использования для очистки воды от токсических веществ. В качестве сорбентов широко используются оксигидратные гели, представляющие собой нерастворимые соединения – оксигидраты переходных элементов: циркония, ниобия, иттрия, железа, редкоземельных элементов и др [21].
Всего лишь несколько лет назад профессор Челябинского (ныне Южно-Уральского) государственного университета Ю. И. Сухарев открыл, что эволюционные процессы в этих гелях имеют автоволновой характер, напоминающий автоколебания в реакции Белоусова—Жаботинского, но механизм автоколебаний в них иной [21].
Для решения поставленной задачи важно то, что протекающие по автоволновому механизму процессы структурообразования в оксигидратных гелях приводят к формированию трех типов структур: спиралевидных, сферических и кристаллитных [21].
Если в геле энергия водородной связи на равновесном расстоянии составляет 0,1—0,3 от энергии кулоновских взаимодействий, то происходит образование спиральных структур. При понижении этого соотношения возникают сферические структуры, а его повышение обеспечивает образование упорядоченных структур кристаллитного типа [6]. Приготовив гель оксигидрата иттрия осаждением аммиаком нитрата иттрия, Сухарев с помощниками наблюдали самопроизвольно образующиеся спиралевидные структуры в процессе медленной сушки. При формировании оксигидратных гелей возникают эффекты дилатансии, происходит электрофоретическое распределение гелевых частиц. Кроме того, на структуру геля влияют электрические и магнитные поля [21].
В многочисленных экспериментах, меняя те или иные характеристики среды, Сухарев добивался направленного структурирования геля. В результате он получал спирали с разными свойствами и различного диаметра, от видимых под электронным микроскопом до наблюдаемых невооруженным глазом (рис. 12.11.) [21].
Рис. 12.11. Спиральные (а) и концентрические (б) узоры волн в химической реакции Белоусова-Жаботинского и спиральные системы [6] в оксигидратных гелях (в, г) [21]
На огромном экспериментальном материале этот исследователь установил даже зависимость шага спирали от pH среды. В гелях, синтезированных в щелочной среде (pH = 10,15), шаг спирали меньше, чем в кислой, что находит свое объяснение в фундаментальных свойствах коллоидов [21]. Сухарев подчеркивает фрактальность спиралевидных структур в оксигидратных гелях: спираль состоит из более мелких спиралей, которые, в свою очередь, сложены еще более мелкими спиралевидными частицами. Это свойство