CC BY
0
https://doi.org/10.62669/17270227.2024.1.8
УДК 534.22+532.62
1.3.8 - Физика конденсированного состояния (технические науки)
Определение диэлектрических свойств воды в тонком слое С. Б. Базарова, И. Г. Симаков, Ч. Ж. Гулгенов, Т. Ч. Очиров
Институт физического материаловедения СО РАН, Россия, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахъяновой, 6
Аннотация. Для области частот, соответствующих диэлектрической релаксации Дебая, предложена методика определения диэлектрических свойств воды в тонком адсорбционном слое, сформированном на поверхности ниобата лития. Методика основана на регистрации изменения скорости упругих поверхностных волн при их распространении в слоистой системе. Экспериментально определены значения действительной части диэлектрической проницаемости адсорбированной воды на разных частотах f (43.2; 64.8; 108; 129.6, 194.4, 302.4, 388.8 МГц) при фиксированной толщине h (2.2; 2.8; 3.7; 13 нм) адсорбционного слоя. Использование экспериментальных значений и уравнений Дебая позволило определить величину мнимой части диэлектрической проницаемости, а также вычислить время диэлектрической релаксации, статическую и высокочастотную диэлектрические проницаемости.
Ключевые слова: акустоэлектрический метод, наноразмерный слой жидкости, адсорбционный слой воды, диэлектрическая проницаемость, поверхностные акустические волны.
Н Базарова Саяна, e-mail: baz_say@mail. ru
Determination of the Dielectric Properties of a Liquid in a Nanosized Layer Sayana B. Bazarova, Ivan G. Simakov, Chingis Zh. Gulgenov, Tumen Ch. Ochirov
Institute of Physical Materials Science SB RAS (6, Sakhyanova St., Ulan-Ude, 670047, Russian Federation)
Summary. A technique is proposed for determining the dielectric properties of water in a nanoscale layer at frequencies corresponding to orientation polarization. The method is based on the registration of the change in the velocity of elastic surface waves resulting from the interaction with a thin layer of a liquid. It was assumed that the dispersion of the dielectric permittivity of water in the thin layer is described by the Debye's equations of dielectric relaxation. In order to demonstrate the capabilities of the proposed method, the values of the real part of the dielectric permittivity of adsorbed water at various frequencies f (43.2; 64.8; 108; 129.6, 194.4, 302.4, 388.8 MHz) were experimentally determined at a fixed thickness of the adsorption layer h (2.2; 2.8; 3.7; 13 nm). The determination of the value of the imaginary part of the dielectric permittivity as well as the calculation of the time of dielectric relaxation, static, and high-frequency dielectric permittivities was enabled by the use of the experimental values and Debye's equations. A comparison was made between the dielectric properties of adsorbed water and those of water in the bulk liquid phase. The high-frequency dielectric permittivity of adsorbed water was found to be lower than that of water in the bulk liquid phase, while the static dielectric permittivity was significantly higher. The dielectric relaxation time of adsorbed water is dependent on the thickness of the adsorption layer and is significantly longer than that of water in the bulk liquid phase.
Keywords: acoustoelectric method, nanoscale liquid layer, adsorption layer of water, dielectric constant, surface acoustic waves.
Н Sayana Bazarova, e-mail: baz say@mail.ru
ВВЕДЕНИЕ
Электрическая поляризуемость жидкости, в том числе воды в тонком слое, характеризует силу межмолекулярных взаимодействий, которые в свою очередь влияют на поверхностную гидратацию, ионную сольватацию, молекулярный транспорт через нанопоры, химические реакции и формирование макромолекулярных комплексов [1, 2]. Интерес к диэлектрическим свойствам воды в тонком слое сохраняется на протяжении многих десятилетий [3-5], однако четкого понимания этих свойств до сих пор не достигнуто [6-9].
Изучение диэлектрических свойств воды в тонком (нанометровом) слое становится проблематичным при использовании традиционных методов из-за геометрических ограничений, связанных с размерами объекта исследования. Традиционные методы анализа диэлектрических характеристик воды не могут обеспечить достаточной точности измерений в наномасштабе, где пространственные ограничения и взаимодействие с поверхностью играют существенную роль. Таким образом, необходимость разработки новых методов исследования диэлектрических свойств воды в нанометровых слоях становится актуальной в контексте современных научных исследований [10].
Существует сравнительно немного методов, с помощью которых можно изучать межфазные границы "жидкость - твердое тело" путем прямого наблюдения. В большинстве экспериментальных исследований межфазной жидкости использованы спектроскопические методы, такие как дифракция рентгеновского излучения [11], рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия [12], нейтронная спектроскопия [13], спектроскопия ядерного магнитного резонанса [14], дифракция медленных электронов [15], инфракрасная спектроскопия [16], спектроскопия комбинационного рассеяния [17] и колебательная спектроскопия с суммированием частоты [18].
В 2005 году авторы [19] впервые получили изображение жидкости с атомным разрешением методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Это открыло возможность применения АСМ для изучения диэлектрических свойств межфазной жидкости. В 2018 году с использованием АСМ было показано [20], что перпендикулярная составляющая статической диэлектрической проницаемости воды 8±, заключенной в наноканалах нитрида бора (nanoconfined water), на графитовой подложке, практически линейно зависит от размера наноканала H, и при H < 2 нм становится аномальной низкой 8± ~ 2 (экспериментальные данные на рис. 1). Эти данные согласуются с результатами расчетов в рамках теории функционала плотности DFT (рис. 1) [21-24].
t thickness j
Рис. 1. Зависимость перпендикулярной составляющей статической диэлектрической проницаемости £±
от размера канала H
Fig. 1. Dependence of the out-of-plane dielectric constant 8± on the slit size H
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ В ТОНКОМ СЛОЕ
В случае наноразмерного жидкого слоя на поверхности пьезоэлектрического твердого тела (адсорбционного слоя или смачивающей пленки) для отыскания численных значений диэлектрических свойств жидкости был предложен акустоэлектрический метод [25]. Измерение диэлектрических свойств в этом методе производится с использованием поверхностных акустических волн (ПАВ), сопровождаемых электрическими полями. Упругие поверхностные волны рэлеевского типа, распространяющиеся в системе "тонкий слой жидкости - пьезоэлектрический звукопровод", чувствительны к изменению акустических и электрических параметров приповерхностной области звукопровода. Было показано, что регистрация изменений параметров ПАВ (амплитуды и фазовой скорости), вследствие влияния жидкого слоя, позволяет определять действительную в' и мнимую в" части диэлектрической проницаемости жидкости в слое. Адсорбированная вода как термодинамическая система характеризуется температурой, потенциалом взаимодействия
молекул, энергией межфазных границ и толщиной адсорбционного слоя. С ростом толщины слоя происходят структурно-кинетические изменения адсорбированной воды, соответственно изменяются её реологические и электрические характеристики. Следовательно, коэффициент поглощения звуковых волн в жидкости, который учитывает теплопроводность и вязкое трение, также зависит от толщины адсорбционного слоя. Определение изменения коэффициента ослабления звука в адсорбированной воде требует комплекса дополнительных исследований. Поэтому предложенным в [25] методом возможно только качественное определение мнимой части диэлектрической проницаемости адсорбированной воды. Вместе с тем, определение действительной части диэлектрической проницаемости адсорбированной воды является корректным.
Изменение фазовой скорости ПАВ (АУ = У - У0) в системе "тонкий слой жидкости -пьезоэлектрический звукопровод" зависит от акустических и диэлектрических характеристик слоистой системы и описывается уравнением [26]:
Г Г-77Т . ^
- V
V V
^ 1-^+,к2
чрЛ V2 (£,+1)2,
Г О
где pf и р5 - плотности жидкости и твердого тела, вр - относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика, V/ - скорость звука в жидкости, - скорость поверхностной волны в слоистой системе, к - толщина жидкого слоя, X - длина поверхностной волны,
К2 V - V
К - коэффициент электромеханической связи, — = —-—, У0 и Ут - скорости ПАВ на
2 ^^
свободной (к = 0) и металлизированной поверхности пьезоэлектрического звукопровода.
Из уравнения (1) следует, что значения в' можно определить из акустических измерений АУ/У0:
, (8, +1)2 - Vs) р, ГГ[л
£ =
^к 2в „
2
ч щ р v; у
(2)
Необходимо отметить, что из-за неполного перекрытия диапазона частот, охваченных экспериментами с ПАВ, и диапазона частот, соответствующих диэлектрической релаксации воды в тонком слое (104 - 109 Гц), не удается по формуле (2) определить статическую (в^) и высокочастотную (вда) диэлектрические проницаемости. Это ограничение можно преодолеть, если допустить, что диэлектрическая релаксация воды в тонком слое описывается теорией Дебая [27]. Действительно, теория Дебая справедлива в случае дисперсии диэлектрической проницаемости воды и льда. Логично предположить, что диэлектрическая релаксация воды в тонком слое, так же описывается уравнениями Дебая:
(Ю) = V ^' (3)
1 + ю т
£ — £
4 (ш) = шт-^2. (4)
1 + ш2 т2
Неизвестными величинами в выражениях (3), (4) являются статическая в^ и высокочастотная вда диэлектрические проницаемости, а также время диэлектрической релаксации т. Эти параметры можно определить, минимизируя квадратичную функцию:
п
р(в, £^т)=Х[£' (ш)к>в*> в»>т)]2> (5)
1=1
где в'(ш) - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости,
вычисленная из уравнения (2) по измеренному значению АУ/У0 на частоте юг-, 8'в(юг)
теоретическое значение действительной части диэлектрической проницаемости, полученные из уравнения (3) на той же частоте.
Для решения задачи минимизации необходимо определить локальный минимум функции ,гх, т), продифференцировав её по неизвестным параметрам, приравняв
производные к нулю и решив полученную систему уравнений:
) - s'D (Ш, ,8, ,8 ю ,х)]-^ = 0,
1=1 С>8 „
Х[8'(Ш,) - 8 D (Ш, ,8, ,8 ю ,х)]-^ = 0,
.■=1
(6)
^[8 '(ш, ) - 8 D (ш, ,8, ,8„,т)]
= 0.
. ;=1 5т
Искомые величины (е^, 8да, т) дают возможность определить значения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости в 'в (ю) во всем диапазоне частот
дебаевской релаксации. Кроме того, используя эти величины, подставленные в уравнение (4), можно рассчитать значения мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости
в I ( ю).
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА
Предложенная методика определения диэлектрических характеристик жидкости в тонком слое была апробирована на примере определения диэлектрических свойств адсорбированной воды и исследования их дисперсии при разных значениях толщины адсорбционного слоя. При определении диэлектрической проницаемости адсорбированной воды нетривиальной задачей является измерение толщины адсорбционного слоя. Была разработана двухсекционная термостатированная измерительная ячейка (рис. 2), позволяющая проводить акустические измерения и определять толщину адсорбционного слоя при заданной степени влажности [28].
Рис. 2. Схема измерительной ячейки: 1 - капилляр (стекло), 2 - подложка LiNbO3, 3 - преобразователи ПАВ, 4 - адсорбционный слой, 5 - объектив компаратора, 6 - теплоизолятор
Fig. 2. Measuring cell diagram: 1 - capillary (glass), 2 - LiNbO3 substrate, 3 -transducers SAW, 4 - adsorption layer, 5 - optical comparator, 6 - thermal Insulators
В первой секции ячейки установлена стеклянная трубка (капилляр) 1 частично заполненная водой, открытый конец которой выходил во вторую секцию. Во второй секции ячейки помещался звукопровод (пластинка из пьезокристалла ниобата лития YZ - среза) 2. На поверхности звукопровода сформированы встречно-штыревые преобразователи 3 для возбуждения и регистрации ПАВ. В результате испарения столбик воды в капилляре 1 укорачивается на Д1, пар заполняет объем второй секции. Давление пара в зоне адсорбции зависит от температуры воды в капилляре T1. Молекулы воды адсорбируются на
гидрофильном участке поверхности звукопровода 2 площадью (а х Ь) между преобразователями ПАВ 3.
В процессе адсорбции молекул воды на очищенном в тлеющем разряде (гидрофильном) участке звукопровода (ниобата лития) образуется наноразмерный слой воды 4. Толщина этого слоя зависит от нескольких факторов, включая температуру поверхности адсорбента -звукопровода, давление пара в зоне адсорбции и состояние поверхности звукопровода, которое определяется степенью гидрофильности (углом смачивания).
В эксперименте при помощи двух термостатов поддерживалась температура парообразующей жидкости (воды в капилляре) Т1 и температура адсорбирующей поверхности ниобата лития Т2. Это позволило устанавливать необходимое давление пара в зоне адсорбции, соответствующее разнице температур ДТ = Т2 - Т1. С помощью уравнения Клапейрона-Клаузиуса можно рассчитать относительное давление пара p/ps р - давление насыщенного пара в зоне адсорбции при температуре Т2), которое позволяет исследовать частотную зависимость изотермы относительного изменения скорости ПАВ при разных фиксированных значениях толщины адсорбционного слоя:
р _ О Г 1
=
Р, К IТ1 т2 у
где Q и Я - теплота испарения (конденсации) воды и газовая постоянная [28].
Адсорбционный слой - результат динамического равновесия процессов адсорбции и десорбции пара. Исходя из динамического равновесия объем воды, испарившейся из капилляра равен объему адсорбированной воды (кхахЬ). Поскольку плотность
адсорбированной воды незначительно отличается от плотности объемной воды [29], то усредненную по площади толщину адсорбционного слоя можно рассчитать по формуле:
к= А1 ^, 4аЬ
где ё - диаметр капилляра. Изменение длины столбика воды в капилляре А1 определялось оптическим компаратором 5 с точностью отсчета ± 0.5 мкм. В эксперименте использовался капилляр диаметром ё~ 0.1 мм, площадь адсорбирующей поверхности ахЬ ~ 0.8 см2. Ошибка определения толщины адсорбционного слоя меньше 0.1 нм.
Необходимо отметить, что главными возможными причинами увеличения погрешности измерения толщины адсорбционного слоя являются неконтролируемая адсорбция пара на поверхностях второй секции измерительной ячейки и капиллярный эффект в местах сочленения элементов измерительной ячейки. Гидрофобность всех сочленений и поверхностей второй секции, кроме рабочего участка площадью а*Ь, достигалась нанесением слоя парафина.
МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
Изменение скорости ПАВ производилось интерференционным методом [30, 31] с помощью установки, блок-схема которой показана на рис. 3. Установка имеет в своем составе следующие приборы: частотомер, ВЧ-генератор со встроенным аттенюатором, линию задержки с ПАВ-преобразователями, ВЧ-усилитель и осциллограф.
Суть интерференционного метода заключается в сравнении противофазных опорного (с ВЧ-генератора 2) и зондирующего сигналов. Зондирующий сигнал проходит через линию задержки 3, в частности, нагруженную жидким слоем и интерферирует с противофазным опорным сигналом. Амплитуда интерферирующих сигналов выравнивается с помощью аттенюатора. Сигнал интерференционного минимума проходит ВЧ-усилитель 4 и поступает на вход осциллографа 5. Любые возмущения условий распространения ПАВ приводят к стремительному росту суммарного сигнала на экране осциллографа 5. В этом случае ВЧ-усилитель и осциллограф выполняют роль нуль-индикатора. В общем случае возмущения условия распространения ПАВ могут включать компоненты изменения, как
фазы, так и амплитуды зондирующего сигнала. Перестраивая частоту ВЧ-генератора 2, мы компенсируем изменение фазы сигнала. Изменение амплитуды компенсируем подстройкой аттенюатора.
Кроме нестабильности температуры причиной изменения времени задержки может быть увеличение или уменьшение толщины жидкого слоя. При неизменной температуре с увеличением толщины адсорбционного слоя амплитуда и скорость ПАВ уменьшаются. Это приводит к изменению частоты, соответствующей минимальному значению амплитуды результирующего сигнала. При некоторой фиксированной температуре адсорбента -звукопровода и толщине адсорбционного слоя h частотомером 1 измеряем новое значение частоты интерференционного минимума А. Изменение частоты интерференционного минимума Af = f -/0 характеризует изменение скорости ПАВ ДV = V - V0 (значения /0 и V0 измеряют при отсутствии слоя жидкости h = 0). Уменьшение скорости ПАВ с ростом толщины жидкого слоя можно найти из условия ДV/V0 = - Д///0. Затухание ПАВ в акустическом тракте можно определить, сравнивая амплитуды результирующих сигналов, измеренных при наличии и отсутствии жидкого слоя.
3
Рис. 3. Блок-схема установки для измерения изменений скорости поверхностных акустических волн, где 1 - частотомер, 2 - ВЧ-генератор, 3 - ПАВ линия задержки, 4 - ВЧ-усилитель, 5 - осциллограф
Fig. 3. Block diagram of a setup for measuring changes in the velocity of surface acoustic waves, where 1 - frequency meter, 2 - RF generator, 3 - SAW delay line, 4 - RF amplifier, 5 - oscilloscope
АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ
Для иллюстрации возможностей методики определения диэлектрических свойств воды в тонком слое на рис. 4 представлены частотные зависимости диэлектрических свойств адсорбированной воды при фиксированных значениях толщины адсорбционного слоя.
Рис. 4. Дисперсия диэлектрической проницаемости адсорбированной воды при разных значениях толщины
адсорбционного слоя (s' - сплошная, s"- штриховая)
Fig. 4. Dispersion of the dielectric constant of adsorbed water at different values of the thickness of the adsorption layer (s' - solid, s" - dashed)
Экспериментальные значения (точки на кривых) рассчитаны с помощью предложенной методики на основе уравнения (2) и акустически измеренного изменения скорости поверхностных волн AV/V0 при разных частотах ПАВ. Численная оценка s'(ro) для каждой толщины (сплошные линии) проводилась в диапазоне частот 20 - 400 МГц с использованием уравнения (3).
Как видно из рис. 4, предложенная методика позволяет определить не только диэлектрические свойства воды в тонком слое, но и выявить характер частотной зависимости диэлектрической проницаемости адсорбированной воды.
С повышением толщины адсорбционного слоя область дисперсии диэлектрической проницаемости адсорбированной воды смещается в сторону более высоких частот, т.е. диэлектрические свойства межфазной воды приближаются к свойствам объемной воды.
Значение диэлектрической проницаемости адсорбированной воды, измеренное акустоэлектрическим методом, в основном содержит составляющую, параллельную твердой поверхности вн. Экспериментальное значение статической диэлектрической проницаемости адсорбированной воды в^ (вн ^ вД выше, чем у объемной воды, что согласуется с результатами моделирования [7, 32].
В таблице приведены статические характеристики релаксационного процесса (в^ и в«,) и время диэлектрической релаксации т для льда, объемной воды и адсорбированной воды при разных значениях толщины слоя.
Таблица - Параметры диэлектрической релаксации воды в твердом, жидком и граничном состояниях
Table - Dielectric relaxation parameters of water in solid, liquid and boundary states
Фазовое состояние / Phase State T, K Ss T, с
Вода в твердой фазе (лед) [33, 34] Solid water (ice) 273 99.03 4.70 2.00 • 10 - 5
Вода в жидкой фазе [33, 34] Liquid Water 273 87.74 5.10 1.61 • 10 - 11
Адсорбированная вода h = 2.2 нм Adsorbed water h = 2.2 nm 293 85.33 5.08 1.45 • 10 - 8
Адсорбированная вода h = 2.8 нм Adsorbed water h = 2.8 nm 293 84.17 5.11 3.88 • 10 - 9
Адсорбированная вода h = 3.7 нм Adsorbed water h = 3.7 nm 293 83.01 5.14 1.04 • 10 - 9
Адсорбированная вода h = 13 нм Adsorbed water h = 13 nm 293 80.60 5.20 7.40 • 10 - 11
Вода в жидкой фазе [33, 34] Liquid Water 293 80.10 5.20 9.43 • 10 - 12
Из имеющихся в таблице данных можно сделать вывод, что при увеличении толщины адсорбционного слоя значения времени диэлектрической релаксации и статической диэлектрической проницаемости адсорбированной воды при одной и той же температуре Т уменьшаются. А высокочастотная диэлектрическая проницаемость вда при увеличении толщины слоя наоборот увеличивается несущественно. Характер изменения диэлектрических свойств адсорбированной воды свидетельствуют о ее структурном изменении с ростом толщины адсорбционного слоя. Причем структура и свойства адсорбированной воды с ростом толщины изменяются от льдоподобной структуры к структуре объемной воды.
ВЫВОДЫ
Рассмотренная в статье методика позволяет измерять диэлектрические характеристики воды в тонком слое и проводить исследования процесса диэлектрической релаксации в воде структура, которой изменена в результате влияния твердой поверхности. Распространение теории Дебая на адсорбированную (межфазную) воду позволило определить комплекс диэлектрических параметров: мнимую часть диэлектрической проницаемости, время диэлектрической релаксации, статическую и высокочастотную диэлектрические проницаемости.
При исследовании частотной зависимости диэлектрических свойств адсорбированной воды в области частот, соответствующих ориентационной поляризации обнаружено, что время диэлектрической релаксации зависит от толщины адсорбционного слоя и заметно больше времени релаксации воды в объемной жидкой фазе. Кроме того, высокочастотная диэлектрическая проницаемость адсорбированной воды меньше чем у воды в объемной жидкой фазе, а статическая диэлектрическая проницаемость заметно больше.
Таким образом, разработанная методика позволяет определять не только диэлектрические свойства, но и исследовать поверхностные процессы в тонких слоях жидкости, получая новые оригинальные данные.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Israelachvili J. N. Intermolecular and Surface Forces. London: Academic Press, 2011. 708 p.
2. Leikin S., Parsegian V. A., Rau D. C., Rand R. P. Hydration Forces // Annual Review of Physical Chemistry, 1993, vol. 44, no. 1, pp. 369-395.
https://doi.org/10.1146/annurev.pc.44.100193.002101
3. Conway B. E., Bockris J. O., Ammar I. A. The dielectric constant of the solution in the diffuse and Helmholtz double layers at a charged interface in aqueous solution // Transactions of the Faraday Society, 1951, vol. 47, pp. 756-766. https://doi.org/10.1039/tf9514700756
4. Hubbard J., Onsager L. Dielectric dispersion and dielectric friction in electrolyte solutions. I. // The Journal of Chemical Physics, 1977, vol. 67, no. 11, pp. 4850-4857. https://doi.org/10.1063/1.434664
5. Chandra A. Static dielectric constant of aqueous electrolyte solutions: Is there any dynamic contribution? // The Journal of Chemical Physics. 2000, vol. 113, no 3, pp. 903-905. https://doi.org/10.1063/1.481870
6. Zhang C., Gygi F., Galli G. Strongly Anisotropic Dielectric Relaxation of Water at the Nanoscale // The Journal of Physical Chemistry Letters, 2013, vol. 4, no. 15, pp. 2477-2481. https://doi.org/10.1021/jz401108n
7. Schlaich A., Knapp E. W., Netz R. R. Water Dielectric Effects in Planar Confinement // Physical Review Letters, 2016, vol. 117, no. 4, 048001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.048001
8. Ben-Yaakov D., Andelman D., Podgornik R. Dielectric decrement as a source of ion-specific effects // The Journal of Chemical Physics, 2011, vol. 134, no. 7, 074705. https://doi.org/10.1063/1.3549915
9. Bonthuis D. J., Netz R. R. Unraveling the Combined Effects of Dielectric and Viscosity Profiles on Surface Capacitance, Electro-Osmotic Mobility, and Electric Surface Conductivity // Langmuir, 2012, vol. 28, no. 46, pp. 16049-16059. https://doi.org/10.1021/la3020089
10. Artemov V. The Electrodynamics of Water and Ice. Cham: Springer International Publishing, 2021, vol. 124. VIII, 219 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-72424-5
11. Lin B., Shih M. C., Bohanon T. M., Ice G. E., Dutta P. Phase diagram of a lipid monolayer on the surface of water // Physical Review Letters, 1990, vol. 65, no. 2, pp. 191-194. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.65.191
12. Chen Y. L., Chen S., Frank C., Israelachvili J. Molecular mechanisms and kinetics during the self-assembly of surfactant layers // Journal of Colloid and Interface Science, 1992, vol. 153, no. 1, pp. 244-265.
https://doi.org/10.1016/0021-9797(92)90316-E
REFERENCES
1. Israelachvili J. N. Intermolecular and Surface Forces. London: Academic Press, 2011. 708 p.
2. Leikin S., Parsegian V. A., Rau D. C., Rand R. P. Hydration Forces. Annual Review of Physical Chemistry, 1993, vol. 44, no. 1, pp. 369-395.
https://doi.org/10.1146/annurev.pc.44.100193.002101
3. Conway B. E., Bockris J. O., Ammar I. A. The dielectric constant of the solution in the diffuse and Helmholtz double layers at a charged interface in aqueous solution. Transactions of the Faraday Society, 1951, vol. 47, pp. 756-766. https://doi.org/10.1039/tf9514700756
4. Hubbard J., Onsager L. Dielectric dispersion and dielectric friction in electrolyte solutions. I. The Journal of Chemical Physics, 1977, vol. 67, no. 11, pp. 4850-4857. https://doi.org/10.1063/L434664
5. Chandra A. Static dielectric constant of aqueous electrolyte solutions: Is there any dynamic contribution? The Journal of Chemical Physics. 2000, vol. 113, no 3, pp. 903-905. https://doi.org/10.1063/L481870
6. Zhang C., Gygi F., Galli G. Strongly Anisotropic Dielectric Relaxation of Water at the Nanoscale. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2013, vol. 4, no. 15, pp. 2477-2481. https://doi.org/10.1021/jz401108n
7. Schlaich A., Knapp E. W., Netz R. R. Water Dielectric Effects in Planar Confinement. Physical Review Letters, 2016, vol. 117, no. 4, 048001.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.048001
8. Ben-Yaakov D., Andelman D., Podgornik R. Dielectric decrement as a source of ion-specific effects. The Journal of Chemical Physics, 2011, vol. 134, no. 7, 074705. https://doi.org/10.1063/L3549915
9. Bonthuis D. J., Netz R. R. Unraveling the Combined Effects of Dielectric and Viscosity Profiles on Surface Capacitance, Electro-Osmotic Mobility, and Electric Surface Conductivity. Langmuir, 2012, vol. 28, no. 46, pp. 16049-16059. https://doi.org/10.1021/la3020089
10. Artemov V. The Electrodynamics of Water and Ice. Cham: Springer International Publishing, 2021, vol. 124. VIII, 219 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-72424-5
11. Lin B., Shih M. C., Bohanon T. M., Ice G. E., Dutta P. Phase diagram of a lipid monolayer on the surface of water. Physical Review Letters, 1990, vol. 65, no. 2, pp. 191-194. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.65.191
12. Chen Y. L., Chen S., Frank C., Israelachvili J. Molecular mechanisms and kinetics during the self-assembly of surfactant layers. Journal of Colloid and Interface Science, 1992, vol. 153, no. 1, pp. 244-265.
https://doi.org/10.1016/0021-9797i92190316-E
13. Rennie A. R., Lee E. M., Simister E. A., Thomas R. K. Structure of a cationic surfactant layer at the silica-water interface // Langmuir, 1990, vol. 6, no. 5, pp. 1031-1034. https://doi.org/10.1021/la00095a025
14. Yan C., Moretto E., Kachouri O., Biagi J.-L., Thomann J.-S., Kayser F., Dieden R. Revealing the dehydration/deuteration processes at the liquid-solid interface by nuclear magnetic resonance spectroscopy // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2022, vol. 637, 128260. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.128260
15. Lee J., Sorescu D. C., Jordan K. D., Yates J. T. Hydroxyl Chain Formation on the Cu(110) Surface: Watching Water Dissociation // The Journal of Physical Chemistry C, 2008, vol. 112, no. 45, pp. 17672-17677. https://doi.org/10.1021/jp807467x
16. Nuzzo R. G., Dubois L. H., Allara D. L. Fundamental studies of microscopic wetting on organic surfaces. 1. Formation and structural characterization of a self-consistent series of polyfunctional organic monolayers // Journal of the American Chemical Society, 1990, vol. 112, no. 2, pp. 558-569. https://doi.org/10.1021/ja00158a012
17. Mrksich M., Sigal G. B., Whitesides G. M. Surface Plasmon Resonance Permits in Situ Measurement of Protein Adsorption on Self-Assembled Monolayers of Alkanethiolates on Gold // Langmuir, 1995, vol. 11, no. 11, pp. 4383-4385. https://doi.org/10.1021/la00011a034
18. Shen Y. R., Ostroverkhov V. Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy on Water Interfaces: Polar Orientation of Water Molecules at Interfaces // Chemical Reviews, 2006, vol. 106, no. 4, pp. 1140-1154. https://doi.org/10.1021/cr040377d
19. Fukuma T., Kobayashi K., Matsushige K., Yamada H. True molecular resolution in liquid by frequency-modulation atomic force microscopy // Applied Physics Letters, 2005, vol. 86,
no. 19, 193108. https://doi.org/10.1063/L1925780
20. Fumagalli L., Esfandiar A., Fabregas R., Hu S., Ares P., Janardanan A., Yang Q., Radha B., Taniguchi T., Watanabe K., Gomila G., Novoselov K. S., Geim A. K. Anomalously low dielectric constant of confined water // Science, 2018, vol. 360, no. 6395, pp. 1339-1342. https://doi.org/10.1126/science. aat4191
21. Ahmadabadi I., Esfandiar A., Hassanali A., Ejtehadi M. R. Structural and dynamical fingerprints of the anomalous dielectric properties of water under confinement // Physical Review Materials, 2021, vol. 5, no. 2, 024008. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.5.024008
22. Tracey J., Miyazawa K., Spijker P., Miyata K., Reischl B., Canova F. F., Rohl A. L., Fukuma T., Foster A. S. Understanding 2D atomic resolution imaging of the calcite surface in water by frequency modulation atomic force microscopy // Nanotechnology, 2016, vol. 27, no. 41, 415709. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/41/415709
23. Cox S. J., Geissler P. L. Dielectric response of thin water films: a thermodynamic perspective // Chemical Science, 2022, vol. 13, no. 31, pp. 9102-9111. https://doi.org/10.1039/D2SC01243J
24. Dufils T., Schran C., Chen J., Geim A. K., Fumagalli L., Michaelides A. Understanding the anomalously low dielectric constant of confined water: an ab initio study. 2022. 20 p. https://arxiv.org/abs/2211.14035v1
25. Simakov I. G., Gulgenov C. Z., Bazarova S. B. Acoustoelectric method for determining dielectric characteristics the liquid in the boundary layer // Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1281, no. 1, 012073. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1281/1A312073
13. Rennie A. R., Lee E. M., Simister E. A., Thomas R. K. Structure of a cationic surfactant layer at the silica-water interface. Langmuir, 1990, vol. 6, no. 5, pp. 1031-1034. https://doi.org/10.1021/la00095a025
14. Yan C., Moretto E., Kachouri O., Biagi J.-L., Thomann J.-S., Kayser F., Dieden R. Revealing the dehydration/deuteration processes at the liquid-solid interface by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2022, vol. 637, 128260. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.128260
15. Lee J., Sorescu D. C., Jordan K. D., Yates J. T. Hydroxyl Chain Formation on the Cu(110) Surface: Watching Water Dissociation. The Journal of Physical Chemistry C, 2008, vol. 112, no. 45, pp. 17672-17677. https://doi.org/10.1021/jp807467x
16. Nuzzo R. G., Dubois L. H., Allara D. L. Fundamental studies of microscopic wetting on organic surfaces. 1. Formation and structural characterization of a self-consistent series of polyfunctional organic monolayers. Journal of the American Chemical Society, 1990, vol. 112, no. 2, pp. 558-569. https://doi. org/10.1021/ja00158a012
17. Mrksich M., Sigal G. B., Whitesides G. M. Surface Plasmon Resonance Permits in Situ Measurement of Protein Adsorption on Self-Assembled Monolayers of Alkanethiolates on Gold. Langmuir, 1995, vol. 11, no. 11, pp. 4383-4385.
https://doi. org/10.1021/la00011a034
18. Shen Y. R., Ostroverkhov V. Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy on Water Interfaces: Polar Orientation of Water Molecules at Interfaces. Chemical Reviews, 2006, vol. 106, no. 4, pp. 1140-1154. https://doi.org/10.1021/cr040377d
19. Fukuma T., Kobayashi K., Matsushige K., Yamada H. True molecular resolution in liquid by frequency-modulation atomic force microscopy. Applied Physics Letters, 2005, vol. 86,
no. 19, 193108. https://doi.org/10.1063/L1925780
20. Fumagalli L., Esfandiar A., Fabregas R., Hu S., Ares P., Janardanan A., Yang Q., Radha B., Taniguchi T., Watanabe K., Gomila G., Novoselov K. S., Geim A. K. Anomalously low dielectric constant of confined water. Science, 2018, vol. 360, no. 6395, pp. 1339-1342. https://doi. org/10. 1126/science. aat4191
21. Ahmadabadi I., Esfandiar A., Hassanali A., Ejtehadi M. R. Structural and dynamical fingerprints of the anomalous dielectric properties of water under confinement. Physical Review Materials, 2021, vol. 5, no. 2, 024008.
https://doi. org/10. 1103/PhysRevMaterials.5.024008
22. Tracey J., Miyazawa K., Spijker P., Miyata K., Reischl B., Canova F. F., Rohl A. L., Fukuma T., Foster A. S. Understanding 2D atomic resolution imaging of the calcite surface in water by frequency modulation atomic force microscopy. Nanotechnology, 2016, vol. 27, no. 41, 415709. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/41/415709
23. Cox S. J., Geissler P. L. Dielectric response of thin water films: a thermodynamic perspective. Chemical Science, 2022, vol. 13, no. 31, pp. 9102-9111. https://doi.org/10.1039/D2SC01243J
24. Dufils T., Schran C., Chen J., Geim A. K., Fumagalli L., Michaelides A. Understanding the anomalously low dielectric constant of confined water: an ab initio study. 2022. 20 p. https://arxiv.org/abs/2211.14035v1
25. Simakov I. G., Gulgenov C. Z., Bazarova S. B. Acoustoelectric method for determining dielectric characteristics the liquid in the boundary layer. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1281, no. 1, 012073. https://doi.org/10.1088/1742-6596/128m/012073
26. Симаков И. Г., Гулгенов Ч. Ж. Акустоэлектрические методы исследования жидкостей в граничной фазе. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2019. 218 с.
27. Потапов А. А. Ориентационная поляризация: Поиск оптимальных моделей. Новосибирск: Наука, 2000. 334 с.
28. Симаков И. Г., Гулгенов Ч. Ж., Базарова С. Б., Очиров Т. Ч. Диэлектрическая релаксация воды, адсорбированной на поверхности ниобата лития // Известия ВУЗов. Физика. 2023. Т. 66, № 4. С. 93-100. https://doi.org/10.17223/00213411/66/4/11
29. Churaev N. V. Thin liquid layers // Коллоидный журнал. 1996. Т. 58, № 5. С. 725-737.
30. Симаков И. Г., Гулгенов Ч. Ж. Регистрация изменения амплитуды и скорости рэлеевских волн на поверхности пьезоэлектрика // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2011. № 3. С. 216-220.
31. Симаков И. Г., Гулгенов Ч. Ж., Базарова С. Б. Акустоэлектрический метод определения диэлектрических характеристик жидкости в граничном слое // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2020, № 1. С. 11-16.
32. Papadopoulou E., Zavadlav J., Podgornik R., Praprotnik M., Koumoutsakos P. Tuning the Dielectric Response of Water in Nanoconfinement through Surface Wettability // ACS Nano, 2021, vol. 15, no. 12, pp. 20311-20318. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08512
33. Таблицы физических величин: справочник / под. ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1006 с.
34. Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. 3-е изд., перераб.. М.: Изд-во Московского университета, 1998. 183 с.
26. Simakov I. G., Gulgenov Ch. Zh. Akustoehlektricheskie metody issledovaniya zhidkostej v granichnoj faze [Acoustoelectric methods for studying liquids in the boundary phase]. Novosibirsk: SO RAN Publ., 2019. 218 p.
27. Potapov A. A. Orientacionnaya polyarizaciya: Poisk optimal'nyh modelej [Orientation polarization: Search for optimal models]. Novosibirsk: Nauka Publ., 2000. 334 p.
28. Simakov I. G., Gulgenov Ch. Zh., Bazarova S. B., Ochirov T. Ch. Dielektricheskaya relaksaciya vody, adsorbirovannoj na poverhnosti niobata litiya [Dielectric relaxation of adsorbed water on the surface of lithium niobate]. Izvestiya VUZov. Fizika [Russian Physics Journal], 2023,
vol. 66, no. 4, pp. 93-100. (In Russian). https://doi.org/10.17223/00213411/66/4/11
29. Churaev N. V. Thin liquid layers. Colloid Journal, 1996, vol. 58, no. 6, pp. 681-693.
30. Simakov I. G., Gulgenov Ch. Zh. Registraciya izmeneniya amplitudy i skorosti releevskih voln na poverhnosti p'ezoelektrika [Registration of amplitude and velocity of Rayleigh waves changes on the piezoelectric surface]. Vestnik Buryatskogo gosudarstvennogo universiteta. Himiya. Fizika [BSU bulletin. Chemistry. Physics], 2011, no. 3, pp. 216-220. (In Russian).
31. Simakov I. G., Gulgenov Ch. Zh., Bazarova S. B. Akustoelektricheskij metod opredeleniya dielektricheskih harakteristik zhidkosti v granichnom sloe [Acoustoelectric method for determining the dielectric characteristics of a fluid in the boundary layer]. Izvestiya SPbGETU "LETI" [Bulletin Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"], 2020, no. 1, pp. 11-16. (In Russian).
32. Papadopoulou E., Zavadlav J., Podgornik R., Praprotnik M., Koumoutsakos P. Tuning the Dielectric Response of Water in Nanoconfinement through Surface Wettability. ACS Nano, 2021, vol. 15, no. 12, pp. 20311-20318. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08512
33. Tablicy fizicheskih velichin: spravochnik [Tables of physical values: handbook]. Pod red. I.K. Kikoina. Moscow: Atomizdat Publ., 1976. 1006 p.
34. Zacepina G. N. Fizicheskie svojstva i struktura vody [Physical properties and structure of water]. 3-e izd., pererab. Moscow: Moscow University Publ., 1998. 183 p.
Поступила 04.12.2023; после доработки 05.02.2024; принята к опубликованию 07.03.2024 Received December 4, 2023; received in revised form February 5, 2024; accepted March 7, 2024
Информация об авторах Базарова Саяна Бимбаевна,
младший научный сотрудник, ИФМ СО РАН, Улан-Удэ, Российская Федерация, e-mail: baz say@mail.ru
Симаков Иван Григорьевич,
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ИФМ СО РАН, Улан-Удэ, Российская Федерация
Гулгенов Чингис Жаргалович,
кандидат технических наук, заведующий лабораторией физики молекулярных структур ИФМ СО РАН, Улан-Удэ, Российская Федерация
Очиров Тумэн Чирипович,
аспирант, ИФМ СО РАН, Улан-Удэ, Российская Федерация
Information about the author Sayana B. Bazarova,
Junior Researcher, Institute of Physical Materials Science SB RAS, Ulan-Ude, Russian Federation, e-mail: baz say@mail.ru
Ivan G. Simakov,
Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher, Institute of Physical Materials Science SB RAS, Ulan-Ude, Russian Federation
Chingis Z. Gulgenov,
Cand. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Molecular Structures Physics, Institute of Physical Materials Science SB RAS, Ulan-Ude, Russian Federation
Tumen C. Ochirov,
Postgraduate Student Institute of Physical Materials Science SB RAS, Ulan-Ude, Russian Federation
