CC BY
1МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
ОСОБЕННОСТИ СВЕТОРАССЕЯНИЯ ВО ВЗВЕСЯХ
ЧАСТИЦ И В ГЕЛЯХ
Чайков Л.Л. 1, Купов М.Р. 2, Махамадиев М.Т. 1
1 Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991, Москва, Ленинский пр., 53.
2Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, 105005, Москва, 2ая Бауманская ул., 5. e-mail: chaykovll@lebedev.ru
Светорассеяние, как статическое, так и динамическое (ДРС) - распространённые и общепринятые методы характеризации таких сред, как взвеси микро- и наночастиц, гелей и им подобных. Имеется множество приборов заводского изготовления, выдающих на выходе сразу распределение частиц взвеси по размерам. И именно здесь скрывается ряд проблем.
Во-первых, нужно всегда помнить, что прибор выдаёт распределение по размерам не количества частиц, а интенсивности рассеяния на частицах этих размеров, и для определения концентраций различных размерных фракций полученные распределения необходимо пересчитывать с учётом сечений и индикатрисы рассеяния на таких частицах.
Во-вторых, хотя метод ДРС для определения размеров частиц используется уже почти 50 лет, нет приборов, определяющих концентрацию мелких (порядка 3-15 нм) частиц. Это связано не с несовершенством приборов, а с агрегацией наночастиц, образующих не сплошные агрегаты, а разбавленные растворителем [1]. А поскольку в эксперименте прибор видит не отдельные частицы, а их агрегаты, их показатель преломления оказывается неизвестен. Дополнительную сложность создаёт фрактальный характер таких агрегатов. Многие понимают эту проблему, но тем не менее до сих пор делаются попытки оценки концентрации частиц в предположении плотного агрегата, показатель преломления которого равен показателю преломления диспергированного вещества.
Ещё хуже дело обстоит с рассеянием в гелях. Дело в том, что характерные времена релаксации в не слишком плотном геле обратно пропорциональны квадрату волнового вектора рассеяния, как и во взвесях частиц. Только коэффициент пропорциональности (D) в этом случае не имеет отношения к броуновскому движению и диффузии (а значит, и к размерам частиц), а является комбинацией молей упругости геля [2]. При дальнейшей гелезации функция корреляции интенсивности рассеянного света становится степенной [2, 3], причём показатель степени связан с фрактальностью геля. При разложении такой функции по экспонентам (т.е. по временам диффузионной релаксации) коммерческая программа выдаёт ряд размеров частиц, не имеющий никакого отношения к действительности.
Кроме того, в любом сосуде с гелем существуют свои упругие (аналогичные акустическим) моды [4], под разными углами проявляющие разную интенсивность. Наличие таких мод приводит к появлению в функции корреляции косинусоидальной составляющей, которую также неолбходимо учитывать при обработке результатов.
Работа посвящена названным проблемам измерений и поиску путей преодоления этих трудностей.
[1] L. L. Chaikov, K. V. Kovalenko, S. V. Krivokhizha, A. D. Kudryavtseva, M. V. Tareeva, N. V. Tchemiega, and M. A. Shevchenko. Structure of Water Microemulsion Particles: Study by Optical Methods. Physics of Wave Phenomena, Vol. 27, No. 2, pp. 87 - 90 (2019) DOI: 10.3103/S1541308X1902002X.
[2] Shibayama M., Universality and Specificity of Polymer Gels Viewed by Scattering Methods. Bull. Chem. Soc. Jpn. 79, No. 12, 1799-1819 (2006). doi:10.1246/bcsj.79.1799
[3] Marina Kirichenko, Leonid Chaikov, Svetlana Krivokhizha, Alexey Kirichenko, Nikolay Bulychev, and Mishik Kazaryan. Effect of iron oxide nanoparticles on fibrin gel formation and its fractal dimension. Journal of Chemical Physics Vol.150, Issue 15, 155103 (2019). DOI: 10.1063/1.5086528
[4] Xiaodong Xu, J. J. A.F. Cuautle, M. Kouyate, et al. Evolution of elastic and thermal properties during TMOS-gel formation determinedby ringing bottle acoustic resonance spectroscopy, impulsive stimulated scattering, photopyroelectric spectroscopy and the hot ball method. J. Phys. D: Appl. Phys. 49 (2016) 085502 (14pp). doi:10.1088/0022-3727/49/8/085502 https://online.mittech.ru/physwatsol23/login
