CC BY
63
СТРУКТУРНАЯ ПАМЯТЬ ВОДЫ ВБЛИЗИ ФРАКТАЛЬНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА, В ОБЪЕМЕ ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
А.М. Иванов, В.В. Брюханов, Н.А. Мыслицкая ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»
В работе представлены результаты исследования диффузионного движения сферических полимерных латексов в водно-спиртовых растворах различной концентрации методом фотонной корреляционной спектроскопии. Обнаружено аномальное нарастание коэффициента диффузии в области малых концентраций спирта. Изучены особенности диффузионного движения наночастиц вблизи шероховатой поверхности.
Изучение процессов молекулярного движения в жидкости вблизи пористых материалов может позволить выяснить вопросы структурирования воды, что имеет большое практическое значение для биологии и медицины. Многочисленные исследования свойств воды и водных растворов показали, что вода является весьма неординарной жидкостью, трудно поддающейся не только непосредственному экспериментальному изучению, но и ее моделированию. Многие из ее параметров аномальны и существенно отличаются от аналогичных параметров других жидкостей, что может быть связано со структурой водной среды.
Экспериментальные исследования водных систем последних лет показали наличие в них кластеров[1], т. е. можно считать установленным, что вода по своей структуре является неоднородной. Наличие таких неоднородностей в водной матрице должно оказывать влияние на физико-химические процессы, происходящие с растворенными сложными молекулами, что, прежде всего, связано с коллективным характером таких молекулярных систем. В свою очередь, такое влияние должно сказываться на динамике процессов переноса в воде.
В данной работе представлены результаты исследования диффузионного движения полимерных латексов сферической формы различного размера (R = (30 ^ 600) мкм) в водно-спиртовых растворах различной концентрации.
Объекты и методы исследования
В серии экспериментов использовался метод фотонной корреляционной спектроскопии. Объектами исследования и рассеивающими центрами служили латексные шарики. Метод фотонной корреляционной спектроскопии (ФКС) заключается в измерении коэффициента диффузии дисперсных частиц путем анализа динамических флуктуаций интенсивности рассеянного света [2]. С целью исследования флуктуаций интенсивности света, рассеянного на дисперсных частицах, была собрана экспериментальная установка на базе оптического гониометра ЛОМО (схема установки изображена на рис. 1). Источником излучения был одномодовый He-Ne лазер (W = 15 мВт; X = 632,8 нм; диаметр луча 0,3 мм). Рассеянный свет регистрировался фотоэлектронным умножителем, работающим в режиме счета фотонов. Корреляционная функция вычислялась с использованием 32-битного 282-канального коррелятора «Photocor-FC», подключенного к компьютеру. Программа рассчитывала корреляционную функцию рассеяния (временное разрешение t = 25 нс), определяла функцию распределения частиц по размерам и вычисляла коэффициент диффузии.
Результаты и обсуждение
В первой серии экспериментов были исследованы особенности диффузионного движения наночастиц в водно-спиртовых растворах различной концентрации.В качестве объектов исследования были выбраны водные растворы молекул полистирольных сферических шариков ^ = 30, 600 нм; концентрация полимера 0,8%), растворенных в водно-спиртовых растворах. Эксперименты были проведены при концентрациях спирта от 0 до 100%. Графики зависимостей коэффициента диффузии полимерных латексов R = 30 нм (график слева) в растворе этилового спирта различной концентрации (процентное содержание по объему) при комнатной температуре ^ = 20 °С) и при температуре t = 40 °С. приведены на рис. 2.
Гониометр Термостат Кювета Ослабитель
Револьверная диафрагма
\
-------ФЭУ
\ ,, Усилитель-дискриминатор
Персональный компьютер
Одноплатный коррелятор
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Из рисунка видно, что в области малых концентраций этилового спирта (2 -3 %) существует область аномального возрастания коэффициента диффузии. С увеличением концентрации этилового спирта происходит уменьшение коэффициента диффузии до концентрации « 80 %. Представляло интерес исследовать поведение коэффициента диффузии при более высоких температурах. На рис. 2,а (кривая 2) приведен ход D(c), соответствующий температуре t = 40 °С. Видно, что кривая не имеет характерного экстремума.
В работе были приведены исследования для полимерных латексов ^ = 600 нм). Кривая зависимости коэффициента диффузии от концентрации этилового спирта приведены на рис.2, б. Из графика видно, что поведение кривой имеет аналогичный вид с характерным максимумом в области 2-3 %. Водные растворы спиртов обнаруживают ряд аномальных свойств при малых концентрациях спирта (0,03 -0,10 молярных долей). Согласно существующим представлениям о структуре водно-спиртовых растворов при малых содержаниях спирта, молекулы спирта внедряются в межузловые полости льдоподобной решетки воды, не вызывая разрушения ее структуры [3]. Подобный механизм растворения продолжается только до некоторой критической концентрации, после чего наступает как бы насыщение, и дальнейшее повышение содержания спирта приводит к разрушению упорядоченной структуры воды.
Во второй серии экспериментов были исследованы особенности диффузионного движения наночастиц вблизи шероховатой поверхности. В качестве поверхностей были использованы анодированные пластинки алюминия. Образцы приготавливались путем электролиза алюминиевых пластинок в 15%-ном растворе серной кислоты при плотности тока анодирования 2 А/дм2 и напряжении 20 В.
В работе было установлено, что по мере удаления от поверхности, коэффициент диффузии увеличивается и стремится к постоянному своему значении, равному для свободного раствора. Для объяснения полученных результатов было сделано предположение, согласно которому вода повторяет структуру граничащего с ней фрактальной поверхности анодированного алюминия.
а) б)
Рис. 2. График зависимости коэффициента диффузии полимерных латексов (R = 30 нм, 600 нм) от концентрации этилового спирта
Моделирование зависимости коэффициента диффузии от расстояния до поверхности позволило рассчитать размерность траектории броуновской частицы, которая связана с размерностью поверхности.
Таким образом, сделано предположение о влиянии шероховатой поверхности на структуру пограничных слоев воды.
1. Бриллиантов Н.В. Молекулярная динамика неупорядоченных сред / Н.В. Бриллиантов, О.П.Ревокатов. - М.: Изд-во МГУ, 1996. - С.82-88.
2. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов / под ред. Г.Камминса. - М.: Изд-во «Мир», 1978. - С.287-294.
3. Кузьмичева А.Н. Исследование влияния структурных особенностей водных систем на фотофизические процессы / А.Н. Кузьмичева, А.В. Потапов. -М.: Изд-во МГУ, 2003. - С.1-8.
WATER STRUCTURE MEMORY NEAR SOLID FRACTAL SURFACE AND IN WATER-ORGANIC MIXTURE VOLUME AND ITS APPLYING TO MEDICAL-
BIOLOGICAL PROCESSES
A.M.Ivanov, V.V.Brykhanov, N.A.Myslitskaya
Latex nanoparticles diffusion in water and water-organic mixtures has been investigated. It has been shown that their diffusionhas anomalous behavior near the fractal surface of the porous solid.
