CC BY
28Особенности динамики рассеяния в деионизированной воде
Н.В. Пеньков12
1 - Институт биофизики клетки РАН - обособленное подразделение
ФИЦ ПНЦБИ РАН, 2 - Сектор оптической микроскопии и спектрофотометрии Центра коллективного пользования ФИЦ ПНЦБИ РАН nvpenkov@rambler.ru
В настоящее время не вызывает сомнений, что вода является гетерогенной жидкостью [1-3], а внешние физические воздействия, оказанные на воду, приводят к изменению ее физико- химических свойств [4-6]. В настоящей работе проведено исследование свойств гетерогенности воды при ее интенсивном встряхивании в виде многократной ударной нагрузки с разрывом жидкости (динамизация). Изучены свойства деионизованной воды МППО (МППроге, США) (далее - вода исходная) и свойства деионизованной воды МППО, сразу после получения подвергнутой предварительной динамизации (исследуемые образцы). Исследуемыми образцами заполняли наполовину стеклянные пробирки объёмом 10 мл, где они, закрытые крышками, хранились до измерений в течение 3-8 суток после их получения при комнатной температуре при отсутствии прямого освещения. Методом динамического светорассеяния (ДСР) были измерены характеристики рассеяния обоих образцов (в том числе, размерные характеристики оптических неоднородностей), после чего оба образца подвергали динамизации и оценивали динамику их характеристик в течение 2 часов (всего 6 экспериментальных дней).
В обоих исследуемых образцах (как вода исходная, так и вода, подвергнутая предварительной динамизации) показано наличие оптических неоднородностей, при этом установлено, что динамизация приводит к повышению интенсивности рассеяния в обоих образцах, обусловленной, по всей видимости, формированием воздушных пузырьков в объеме проб.
При этом установлено, что в образце исходной воды изменение интенсивности рассеяния на пузырьках, индуцированное динамизацией, полностью исчезает по истечении 100 минут. Однако было замечено, что размерные распределения пузырьков, регистрируемые после динамизации, изменяются в течение 5 дней после получения воды. Так, в образцах исходной воды в первый день измерений процесс динамизации индуцирует образование пузырьков, характеризующихся размерным пиком около 800 нм, причём размер образующихся пузырьков после аналогичной процедуры динамизации в последующие 3 суток снижается до 500 нм и выходит на плато. Этот размерный пик интерпретируется как пик пузырьковой фракции, включающий в себя как одиночные пузырьки (100200 нм), так и кластеры пузырьков [7, 8]. Предположительно, смещение пика в сторону меньших размеров со временем обусловлено ростом числа образующихся одиночных пузырьков в процессе динамизации. Хотя метод ДСР и позволяет определять размерные распределения, не удалось надёжно зарегистрировать обе фракции (мономеры и кластеры пузырьков) ввиду того, что концентрация образующихся пузырьков сильно зависит от содержания газов и ионов, которое в деионизованной воде мало. Увеличение числа образующихся одиночных пузырьков со временем может быть обусловлено насыщением воды газами. По-видимому, основным газом, от которого зависит концентрация образующихся одиночных пузырьков, является углекислый газ (СО2). Как известно, СО2, раство-
ряясь в воде, образует молекулы угольной кислоты, которая диссоциирует на ионы согласно следующей реакции: СО2+H2O = HCO3 +H+. Рост концентрации ионов способствует увеличению стабильности пузырьков и, соответственно, росту концентрации одиночных пузырьков субмикронного масштаба.
Также было обнаружено, что предварительная процедура динамизации сразу после получения образца деионизованной воды приводит к изменению состояния воды, а именно к длительному отличию регистрируемых свойств пузырьков, которое сохраняется на протяжении всего времени исследования (6 суток). Размерные распределения пузырьковой фазы таких образцов воды после повторной динамизации приводят к появлению двух отчётливо регистрируемых фракций: одиночных пузырьков 100-200 нм и их кластеров 500-1000 нм, сохраняющихся в течение примерно 100 минут, после чего фракция одиночных пузырьков перестаёт регистрироваться.
Полученные результаты позволяют утверждать, что стандартная деионизованная вода, находящаяся в контакте с атмосферой, сохраняет неравновесное состояние по содержанию в ней растворённых газов в течение времени не менее пяти суток после ее получения. Данный факт необходимо учитывать при проведении экспериментов, для которых особую важность имеет стандартизация использующейся воды. Также показано длительное стабильное состояние воды, прошедшей процедуру динамизации сразу после ее получения, сохраняющееся в течение времени исследования не менее 6 суток, по свойствам рассеяния и, в частности, по свойствам размерных распределений образующейся пузырьковой фазы; причём это состояние не уравнивается с состоянием воды без предварительной динамизации. Таким образом, в настоящей работе показано, что процесс динамизации приводит к изменению свойств воды и является сложным физическим процессом.
[1] Tikhonov, V. I., & Volkov, A. A. Separation of water into its ortho and para isomers. Science, 296(5577), pp.2363-2363 (2002).
[2] ten Cate, M. G., Huskens, J., Crego-Calama, M., & Reinhoudt, D. N. Thermodynamic Stability of Hydrogen-Bonded Nanostructures: A Calorimetric Study. Chemistry-A European Journal, 10(15), pp.3632-3639 (2004).
[3] Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. Изд. Мир, 2002.
[4] Аскарьян, Г. А., Прохоров, А. М., Чантурия, Г. Ф., & Шипуло, Г. П. Луч оптического квантового генератора в жидкости. ЖЭТФ, 44(6), pp.2180-2182 (1963).
[5] Scheeler, M. W., van Rees, W. M., Kedia, H., Kleckner, D., & Irvine, W. T. Complete measurement of helicity and its dynamics in vortex tubes. Science, 357(6350), pp.487-491 (2017).
[6] Gudkov, S. V., Lyakhov, G. A., Pustovoy, V. I., & Shcherbakov, I. A. Influence of Mechanical Effects on the Hydrogen Peroxide Concentration in Aqueous Solutions. Physics of Wave Phenomena, 27(2), pp.141-144 (2019).
[7] Bunkin, N. F.; Bunkin, F. V. Bubbstons: Stable Microscopic Gas Bubbles in Very Dilute Electrolytic Solutions. Sov. Phys. JETP, 74, pp.271-278 (1992).
[8] Bunkin, N. F.; Shkirin, A. V. Nanobubble Clusters of Dissolved Gas in Aqueous Solutions of Electrolyte. II. Theoretical Interpretation. J. Chem. Phys. 137, p.054707 (2012).
