CC BY
40
25 декабря 2011 г. 3:46
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Установка для исследования спин-селективной адсорбции водяного пара
В статье описана экспериментальная установка для изучения процессов адсорбции-десорбции молекул вода и тяжелой воды методом инфракрасной спектроскопии. Обсуждается возможность обогащения состава воды по одному иэ слиновьх изомеров и перспективность такого рода исследован^ в физике, медицине и нанотехнологиях.
Жил и некий А.П.,
дф.-мк, профессор, заведующий кафедрой физики МТУ СИ
Дегтярев В.Ф.,
к.ф.-м.н., доцент кафедры физики МГУСИ, Файэулаев В.Н.,
к.ф.-м.н., доцент кафедры физики МГУСИ
Известно, в природе существуют две модификации воды, отличающиеся ядерным спином и соответствующим ему вращательным спектром молекулы: пара вода (5*0) и ортовода (Б ** 1). Первая имеет а непараллельную ориентацию спинов ядер водорода, вторая - параллельную. Радиационные переходы между уровнями разных спин-модификаций строго запрещены (по симметрии), а столк-новительные, вызывающие спин-конверсию, крайне маловероятны. Это делает возможным длительное существование этих изомеров воды в различных средах, как двух отдельных фракций. В равновесных условиях отношение концентрации орто- и пара изомеров соответствует отношению статистических весов спиновых состояний и составляет 3:1. Однако имеются случаи, когда это отношение, например, для молекул водорода /1/, может быть иным Причина тому - влияние вращательного спектра пара- и ортоизомеров на способность молекул конденсироваться или адсорбироваться.
Впервые явление спин-селективности было обнаружено в опытах по гетерогенной конденсации молекул тяжелой воды в сверхзвуковой струе углекислого газа /2/. Оказалось, что в конденсат, представляющий в основном клостеры молекул СО-,, переходили преимущественно молекулы воды из основного вращательного со-стояню, которое для Э20 относится к ортомодификации, а для легкой воды Н20 — к пара модификации. Этот эффект был использован для разделения молекул воды и тяжелой воды по спиновым модификациям газодинамическим способом /3/. Аналогичные результаты были по/тучены и в опытах по физической адсорбции молекул воды на разных поверхностях /4/, что в дальнейшем позволило получить обогащение состава воды по одному из изомеров методом хроматографии /5,6/. Однако, оказалось, что эффект селективности в опытах по адсорбции плохо воспроизводится, а в некоторых случаях и вовсе не подтверждается / 7/. Учитывая роль, которую играет вода в природе, технике и жизни человека, представляется актуальный всестороннее, кок экспериментальное, ток и теоретическое изучение адсорбционных свойств разных СПИНОВЫХ модификаций молекул воды.
Для проведения экспериментальных исследований по спин-селективной адсорбции молекул воды на кафедре физики МТУСИ создана установка, блок схема которой представлена на рис. 1.
Основу установки составляет двухлучевой ИК-спектрофотометр Specord М 80 (1), позволяющий снимать спектр поглощения в области 10ОО см'1 - 4000 см 1. Он оснащен двумя вакуумированны-ми измерительными кюветами (2), одна из которых имеет контакт с адсорбентом(4), а другая — нет. Кюветы после предварительной откачки насосом (3) до давления Ю3 торр заполняются водяным паром из сосуда (5) с очищенной от примесей дистиллированной водой. Затем оба измерительных канала балансируются, и к одной из кювет подключается сосуд с адсорбентом (4). Снимая зависимость коэффициентов поглощения на линиях пара- и ортомадифи-коций молекул воды от времени, можно установить различие в процессах адсорбции-десорбции этих фракций. Установка позволяет проводить исследования влияния температуры, магнитного, электрического полей и других факторов.
Для идентификации и количественной оценки концентрации изомеров можно использовать спектральные линии колебательной полосы v2, наблюдаемые как газе, так и в конденсированной фазе /8/ (рис. 2). Линия с волновым числом 1625 см 1 соответствует вращательным переходом 111 “Oqo в молекуле параводы. Линия 1607 см-1 соответствует переходам 1 iq-Iqi в ортомодификации. Эти линии являются сильными и хорошо разрешаются спектрометром.
В заключение отметим, что возможность получения обогащенного одним из спиновых изомеров состава вода и длительного его хранения /5,8/ делает проведение соответствующих исследований перспективным не только в научном, но и прикладном аспектах, в частности для нанотехнологий и медицины. В качестве примера, иллюстрирующего важность проведения исследований, связанных с орто- и параводой, рассмотрим возможное влияние изомерного состава на жизнь организма на клеточном уровне. Баланс между пара - и орговодой в клетках организма устанавливается в результате непрерывно протекающих процессов селективной адсорбции и
^с. 1. Блок-схема установки: 1 — ИК-спвюрофотомвтр; 2 — измеритель ные юоееты; 3 — вакуумный насос; 4 — обьем с адсорбентом; 5 — объем с *Истиллироеанной водой; 6 — нагреватель; 7 — манометрические пампы; 8 - многоходовой вакуумный кран
Т-Comm, # 10-2011
37
