CC BY
31
Teplyakova Natalya Alexandrovna
PhD (Physics and Mathematics), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected] Makarova Olga Victorovna
PhD (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected]. net.ru Palatnikov Mikhail Nikolayevich
Dr. Sc. (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.623-625 УДК 544.77.023.523 + 544.774.4
ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ЧАСТИЦ В НАНОЖИДКОСТИ А. П. Завьялов1, К. В. Зобов2
1 Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток, Россия
2 Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, г. Новосибирск, Россия
Аннотация
Рассматриваются методы измерения размеров частиц в наножидкости, основанные на статическом и динамическом рассеянии света (СРС- и ДРС-методы соответственно). На примере дистилированной воды с наночастицами диоксида кремния продемонстрировано, что ДРС-методы не могут быть использованы для определения размеров частиц в сильно взаимодействующих системах, в то время как измерение, определяемые СРС-методами, оказываются близкими к оценкам другими методами. Ключевые слова:
минеральное сырье, сварочные материалы.
THE PROBLEM OF DETERMINATION OF THE PARTICLES DISPERSE COMPOSITION IN NANOLIQUID
A. P. Zavjalov1, K. V. Zobov2
1 Far-Eastern Federal University, Vladivostok, Russia
2 Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the Siberian Branch of the RAS, Novosibirsk, Russia
Abstract
The methods of measuring particle sizes in a nanofluid based on static and dynamic light scattering (SLS and DLS methods, respectively) have been considered. Using the example of distilled water with nanosilica it has been demonstrated that DLS methods are inapplicable to determine the particle sizes in strong-interacting systems, while the sizes determined by SLS methods are close to the estimates by other methods. Keywords:
mineral raw materials, welding materials.
В последнее время получило широкое распространение определение размеров наночастиц методом динамического рассеяния света (ДРС) [1]. Разработчики оборудования, основанного на этом методе, регламентируют высокую точность определения размеров наночастиц: от 0,8 нм на "DynaPro NanoStar" (Wyatt Technology Corporation, USA), 0,15 нм на "3D LS Spectrometer" (LS Instruments, Швейцария). Однако в личной практике авторы столкнулись с некоторыми проблемами. Определение размеров частиц в наножидкости методом ДРС оказались в 10 раз превосходящими размеры наночастиц, использованных для её создания. В таких случаях обычно делается заключение об агломерированности наночастиц.
Однако ранее для практических нужд авторы разработали простую установку экспресс-определения размеров частиц в жидкости, основанную на методе статического рассеяния света (СРС) конкретной длинны волны по теории Релея [2, 3]. Измеряемые на ней размеры частиц близки к размерам наночастиц, использованных для создания суспензии. Это говорит об деагломерированном состоянии частиц.
Для разрешения противоречия между методами измерены спектры пропускания наножидкостей различной концентрации, созданных на основе дистиллированной воды и нанопорошков диоксида кремния различной удельной поверхности. Использовались полученные различными способами нанопорошки: плазмо-химическим марки "АегоБП" [4] и конденсационным по методу [5] марки "ТагкоБП". Кроме того, для объяснения противоречий привлечены как результаты исследования вязкости таких наножидкостей авторами [6], так и результаты в близких областях других авторов [7, 8].
Считается, что теория Релея применима для описания результатов эксперимента в том случае, когда длина волны рассеиваемого света в 100 раз превосходит размеры частиц. Хотя в экспериментах использовались длины волн, лишь в 10 раз превосходящие размеры частиц, длинноволновые участки спектров не сильно отклоняются от теории Релея, что, в частности, определяет применимость экспресс-метода. В результате обработки этих спектров были определены размеры наночастиц. Они близки к характерным размерам, оцениваемым по величине удельной поверхности Ssp нанопорошков, использованных при создании нанодисперсий, как ёзья = 6/р&р, где р — плотность материала наночастиц (рис., а). При этом размеры, определяемые методом ДРС Отя, превосходят на порядок величину (рис., б).
60
40 -
20 -
о
нм
/
а
/
/
/
□ /
/ -
/
/
/
♦ ЛеговП ТагковП
20
300 -I 250 -200 150 100 -50 0
40 Ор, нм0
о
нм
б
♦ ЛеговИ ■ ТагковИ
0
20
40 Ор, нм
0
0
Сопоставление с характерным размером первичных наночастиц их величины, определённой методами СРС (а) и ДРС (б)
Нельзя считать, что метод ДРС выявляет агломерированность наночастиц в жидкости, поскольку агломераты такого размера также были бы выявлены и методом СРС, тем более что в методе СРС используются значительно более высокие концентрации наночастиц, чем в методе ДРС. Объяснение результатов измерений методом ДРС заключается в том, что этот метод, прежде всего, определяет подвижность частиц в среде, величина которой связывается в дальнейшем с их размером. Между тем, авторами настоящей работы установлено, что вязкость таких жидкостей [6] превосходит вязкость жидкостей с той же концентрацией частиц, но микронных размеров. Это вообще характерно для наножидкостей [7]. В то же время в работе [8] продемонстрировано аномально высокое сопротивление тонких кварцевых каналов при протекании дистиллированной воды в сравнении с теоретическим течением Пуазёйля. В результате развития этой тематики была построена модель повышенной вязкости у гидрофильных кварцевых стенок каналов, что позволило успешно описать экспериментальные результаты. Структура прилежащих к гидрофильной кварцевой поверхности слоёв воды раскрывается в работе [9]. Так, продемонстрировано, что вблизи гидрофильной поверхности молекулы воды выстраиваются дипольными моментами от поверхности, а вблизи гидрофобной поверхности — вдоль неё. Упорядочение молекул жидкости не приводит к их иммобилизации, однако может существенно локально менять динамические характеристики среды — её вязкость. Всё это свидетельствует в пользу того, что наночастицы, поверхность которых гидрофильна, действительно обладают пониженной подвижностью. Между тем при интерпретации результатов измерений по методу ДРС используется классическая теория броуновского движения Смолуховского — Эйнштейна, не учитывающая повышенной вязкости жидкости у поверхности частиц. При этом низкая подвижность интерпретируется как большой размер частиц. В то же время геометрическое упорядочение молекул воды обусловлено наличием у них дипольного момента, что приводит и к электрической упорядоченности в прилигающих к поверхности частиц слоях. Пока не ясно, как это может повлиять на рассеяния света по Релею в такой системе, и получаемые СРС методом размеры частиц следует считать лишь оценкой. Однако на основе совпадения этой оценки с определяемыми адсорбционным методом размерами можно предположить, что влияние на рассеяние света носит не существенный характер.
Итак, можно заключить, что метод ДРС, хотя и позволяет обнаружить частицы при концентрациях намного меньших, чем СРС, однако в действительности может быть использован только для определения подвижности частиц, несмотря на декларируемую производителями высокую точность определения размеров с помощью оборудования, основанного на методе ДРС. Размеры же частиц можно измерять методами СРС, причём в качестве экспресс-метода можно использовать простые установки с одной длинной волны света.
Литература
1. Berne B. J., Pecora R. Dynamic light scattering. Dover Publications, 2000.
2. Зобов К. В., Сызранцев В. В., Бардаханов С. П. Особенности измерения размеров частиц в гидрозолях нанопорошка диоксида кремния оптическими методами // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2016. Т. 11, № 4. С. 68-77.
3. Investigation of the optical properties of aqueous solutions of silica nanopowders / S. P. Bardakhanov et al. // Glass Physics and Chemistry. 2009. Vol. 35, no. 2. P. 176-180.
4. Bode R., Ferch H. Basic characteristics of Aerosil fumed silica // Tech. Bull. 1989. Fine Silica. Part. 11. P. 1-70.
5. Nanopowder production based on technology of solid raw substances evaporation by electron beam accelerator / S. P. Bardakhanov et al. // Mater. Sci. Eng. B Solid-State Mater. Adv. Technol. 2006. Vol. 132, no. 1-2. P. 204-208.
6. Syzrantsev V. V., Zavyalov A. P., Bardakhanov S. P. The role of associated liquid layer at nanoparticles and its influence on nanofluids viscosity // Int. J. Heat Mass Transfer. 2014. Vol. 72. P. 501-506.
7. Mahbubul I. M., Saidur R., Amalina M. A. Latest developments on the viscosity of nanofluids // Int. J. Heat Mass Transfer. 2012. Vol. 55. P. 874-885.
8. Чураев Н. В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах. М., 1990. 272 с.
9. Du Q., Freysz E., Shen Y. R. Surface vibrational spectroscopic studies of hydrogen bonding and hydrophobicity // Science. 1994. Vol. 264, no. 5160. P. 826-828.
Сведения об авторах
Завьялов Алексей Павлович
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток, Россия
Зобов Константин Владимирович
младший научный сотрудник, Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН,
г. Новосибирск, Россия
Zavjalov Alexey Pavlovich
PhD (Physics & Mathematics), Researcher, Far-Eastern Federal University, Vladivostok, Russia
Ivanov Urii Dmitrievich
Junior Researcher, Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the Siberian Branch of the RAS, Novosibirsk, Russia
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.625-631 УДК 538.911
ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ СВЕРХВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕХАНОАКТИВИРУЮЩИХ ПРОЦЕДУР
Я. Ю. Зубарев1, А. В. Нагаенко2, Л. А. Шилкина1, Е. В. Гпазунова1, И. Н. Андрюшина1, Л. А. Резниченко1
1 Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону, Россия
2 Институт высоких технологий и пьезотехники, г. Ростов-на-Дону, Россия Аннотация
Рассматриваются твердые растворы бинарных систем на основе ниобата натрия и пирониобатов стронция и кальция, синтезированные с помощью механоактивирующих процедур.
Ключевые слова:
слоистые перовскитоподобные соединения, бинарные системы, пирониобаты кальция и стронция, механоактивация.
FEATURES OF THE PROPERTIES OF SUPERHIGH-TEMPERATURE MATERIALS SYNTHESIZED WITH THE USE OF MECHANOACTIVE PROCEDURES
J. Y. Zubarev1, A. V. Nagaenko2, L. A. Shilkina1, E. V. Glazunova1, I. N. Andryushina1, L. A. Reznichenko1
1 Research Institute of Physics of Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
2 Institute of High Technology and Piezo Technology, Rostov-on-Don, Russia
