Роль встряхивания жидкого образца в динамике набухания полимерной мембраны; кювета ограниченного объема Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Роль встряхивания жидкого образца в динамике набухания полимерной мембраны; кювета ограниченного объема

П.Н. Болоцкова2, Н.Ф. Бункин1'2, М.С. Кирьянова2, В.А. Козлов1'2,

Р.С. Сафроненков2

1-Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Россия, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38 2- Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана, Россия, 105005 Москва,

2-я Бауманскаяул.,д. 5, стр. 1

e-mail: nbunkin@kapella. gpi. ru

Данная работа мотивирована рядом особенностей, которые проявляются при набухании полимерной мембраны НафионТМ в воде. Как показано в монографии [1], при набухании Нафиона в водной суспензии коллоидных частиц микронного размера последние отталкиваются от твердой полимерной поверхности на расстояние порядка сотен микрон. Область, свободная от коллоидных микросфер, была названа «исключенной зоной» (Exclusion Zone, EZ). В работе [1] эффект выталкивания микросфер связывают с «аномальным» состоянием (четвертой фазой) воды вблизи поверхности Нафиона. Чтобы получить более детальное представление об эффекте выталкивания микросфер, мы исследовали набухание Нафиона в кювете, расстояние между окнами в которой было порядка толщины самой мембраны, т.е. пространство для формирования "четвертой фазы воды" было ограничено размером кюветы. Оказалось, что при погружении исходно сухого (безводного) Нафиона в воду происходит "разматывание" полимерных волокон в объем окружающей жидкости; этот эффект был ранее описан в работе [2]. Поскольку волокна Нафиона обладают исходно гидрофобными свойствами, и эти волокна упираются в окна кюветы, в системе возникает поле сдвиговых напряжений, и молекулы воды, оказавшиеся в области между "напряженными" гидрофобными волокнами, эффективно выталкиваются из этой области, что приводит к формированию свободной от воды полости между окнами кюветы и полимерной мембраной. Эффект формирования полости обусловливает специфику режима набухания полимера: набухание начинается в областях кюветы, где отсутствует полость. В этих областях размотанные в объем жидкости волокна Нафиона приобретают гидрофильные свойства, внутрь этих областей проникает вода, и полость схлопывается. Поскольку в ИК-диапазоне излучение поглощается молекулами воды, по мере схлопывания полости коэффициент пропускания кюветы с жидкостью и мембраной в этом диапазоне со временем уменьшается. Динамика схлопывания полости изучалась с помощью Фурье ИК-спектрометрии. Оказалось, что эта динамика зависит от изотопного состава воды, ионных добавок и предварительной обработки воды. В частности, было получено, что динамика скорость схлопывания отличается для воды, которая была подвергнута интенсивному встряхиванию на виброплатформе. По измерению динамики схлопывания полости было измерено время релаксации, в течение которого вода теряет свойства, приобретенные в результате встряхивания.

[1] G.H. Pollack, The Fourth Phase of Water;Ebner and Sons Publishers: Seattle (2013).

[2] N.F. Bunkin, A.V.Shkirin, V.A.Kozlov, B.W. Ninham, E.V.Uspenskaya, S.V. Gudkov, Near-surface structure of Nafion in deuterated water, J. Chem. Phys., 149, 164901 (2018).