CC BY
24Универсальность распределения частиц по размерам в водных наносуспензиях
М.Н. Кириченко1, В.И. Красовский2, Н.В. Булычев1,3, М.А. Казарян1, С.В. Кривохижа1, Л.Л. Чайков14, А.В. Шкирин24
1 - Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН 2 - Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН 3 - Московский авиационный институт 4 - Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ
Эмульсия смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) ЭМУ-1, взвеси частиц оксидов вольфрама, железа и алюминия, карбида кремния, наноалмазов и белка фибриногена в бидистиллированной воде в концентрациях порядка сотых долей процента (по объёму) исследовались методами динамического рассеяния света (ДРС) [1, 2]. Методом самобиений измерялись корреляционные функции интенсивности (КФИ) рассеянного света. Из полученных КФИ с помощью программы Рупа1Б определялись распределения частиц («капель» эмульсии) по размерам, точнее, распределение интенсивности рассеяния по размерам частиц. В ряде случаев по отношению интенсивности рассеянного света к интенсивности светорассеяния в толуоле IT определялась концентрация частиц (в предположении, что их показатель преломления np равен показателю преломления п1 диспергированного вещества). Рассматривались также полученные в [3] на основе измерений угловых зависимостей матрицы рассеяния света распределения по размерам частиц взвеси оксида свинца в воде. Размеры отдельных наночастиц оксидов вольфрама [4] и свинца [3], а также карбида кремния определялись методами электронной микроскопии или дифракции электронов и составляли от 3 до 10 нм. Ранее в работе [5] методом малоуглового рассеяния нейтронов было экспериментально показано, что «капли» обратной эмульсии представляют собой не сплошные капли, а также состоят из мелких (~5-10 нм) мицелл эмульгированной жидкости.
Установка для получения КФИ была построена по обычной схеме [6], на ней же измерялась интенсивность светорассеяния Isc с учётом экстинкции. Измерения проводились в цилиндрических или плоских кюветах под углами 9 = 30^60°. Объёмная доля частиц в эмульсии CV| или отношение объемных долей размерных фракций определялись в приближении Рэлея-Ганса-Дебая (РГД) [7,8].
Оказалось, что практически во всех случаях в водной взвеси или эмульсии перечисленных выше веществ присутствуют как отдельные наночастицы и/или их малые агрегаты (размерами до 50 нм), так и более крупные агрегаты, диаметром 100 - 300 нм и более, причём распределение их по размерам имеет, как правило, бимодальный характер (см. например рис. 1). Подобная особенность наблюдалась и в суспензиях полимеров[9].
Рис. 1. Распределения частиц интенсивности рассеяния по размерам частиц, полученные из КФИ, измеренных под углом рассеяния 9 = 45°, Л = 633нм; а - взвесь частиц карбида кремния, объемная доля частиц СУ ~ 0.01%, Ь -эмульсия СОЖ ЭМУ-1, СУ = 0.025%.
В ряде случаев, однако, отдельных частиц мало и они не определяются разложением КФИ по экспонентам.
Эти полученные нами и в [3, 10] результаты указывают на то, что в водных растворах часто оказываются стабильными (метастабильными) не один размер агрегата, а два или даже более. И если появление одного характерного размера агрегатов наночастиц можно объяснить аналогично стабилизации нанопузырьков [10] за счет конкуренции эффективного поверхностного натяжения и отталкивания поверхностных электрических зарядов, то появление второго (третьего) требует детального рассмотрения.
Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00639.
[1] B.J. Berne, R. Pecora Dynamic light scattering (Krieger, Malabar, Florida,1990).
[2] Dhont J. K. G., An introduction to the dynamics of colloids. Amsterdam: Elsevier, (1996).
[3] С.Н. Чириков, А.В. Шкирин Определение методом лазерной поляриметрии дисперсного состава взвеси PbO, содержащей агрегаты частиц пластинчатой формы. Оптика и спектроскопия, 2018, том 124, вып. 4,542-550.
[4] И.С. Бурханов, Л.Л. Чайков, Н.А. Булычев, М.А. Казарян, В.И. Красовский. «Наноразмер-ные частицы оксидов металлов, полученные в плазменном разряде в жидкой фазе под действием ультразвуковой кавитации. 2. Размеры и устойчивость. Исследование методом ДРС» Краткие сообщения по физике ФИАН, том 41, № 10, стр. 38 -49. (2014).
I. S. Burkhanov, L. L.Chaikov, N. A. Bulychev, M. A. Kazaryan, and V. I. Krasovskii. Nanoscale metal oxide particles produced in the plasma discharge in the liquid phase upon exposure to ultrasonic cavitation. 2. Sizes and stability. Dynamic light scattering study. Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2014, Vol.41, No.10, pp. 297-304.
[5] Larson-Smith K.L., Jackson A., Pozzo D.C. "Small angle scattering model for Pickering emulsions and raspberry particles." Journal of Colloid and Interface Science. - 2010.- V. 343. - No.1, p.36-41.
[6] К. В. Коваленко, С.В. Кривохижа, А. В. Масалов, Л. Л. Чайков. «Измерение размеров частиц методом корреляционной спектроскопии с помощью световодного щупа». Краткие сообщения по физике ФИАН, 2009, №4, С. 3-17. (K.V.Kovalenko, S.V.Krivokhizha, A.V.Masalov, L.L.Chaikov "Correlation Spectroskopy Measurments of Particale Size Using an Optical Fiber Probe" Bulletin of the Lebedev Physics Institute,2009, Vol.36, No.4,pp.95-103).
[7] К. Борен, Д. Хафмен,. Поглощение и рассеяние света малыми частицами (М., Мир, 1986, 660 стр.). Перевод с: K. F. Boren andP.
[8] R. Hafmen, Absorption and Scattering of Light by Small Particles, (Wiley New York, 1983).
[9] L. L. Chaikov, K. V. Kovalenko, S. V. Krivokhizha, A. D. Kudryavtseva, M. V. Tareeva, N. V. Tcherniega, 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)
[10] F. Zhang, A.J. Allen, L.E. Levine, De-Hao Tsai, J. Ilavsky. Structure and Dynamics of Bimodal Colloidal Dispersions in a Low- Molecular Weight Polymer Solution. Langmuir. 2017; 33(11):2817-2828.
[11] S.O. Yurchenko, A.V. Shkirin, B.W. Ninham, A.A. Sychev, V.A. Babenko, N.V. Penkov, N.P. Kryuchkov, and N.F. Bunkin.Ion-Specific and Thermal Effects in the Stabilization of the Gas Nanobubble Phase in Bulk Aqueous Electrolyte Solutions. Langmuir 2016, 32, 11245-11255.
