Автореферат (Новый метод исследования инфракрасных спектров фазовых состояний водных систем при различных температурах)

На правах рукописиКОРОЛЁВА АЛЕКСАНДРА ВАЛЕРЬЕВНАНОВЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ИНФРАКРАСНЫХСПЕКТРОВ ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ ВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИРАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физикиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре молекулярных процессов и экстремальныхсостояний вещества физического факультета Московского государственногоуниверситета имени М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физико-математических наукХахалин Андрей ВладимировичОфициальные оппоненты:Борисов Анатолий Михайловичдоктор физико-математических наук,профессор, Московский авиационныйинститут (национальныйисследовательский университет)Ануфриев Юрий Владимировичкандидат технических наук, старшийнаучный сотрудник, Институтнанотехнологий микроэлектроники РАНВедущая организация:Институт общей физики им.

А.М. ПрохороваРАНЗащита состоится «23» июня 2016 года в 15-30 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 на базе Московского государственного университета имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2,Физический факультет МГУ, ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В.Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/Автореферат разослан «22» апреля 2016 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Метод инфракрасной Фурье спектроскопии являетсячувствительным и неразрушающим структуру образца методом исследования воды.Однако, современные методы обработки ИК-спектров (такие как выделение частотымаксимального поглощения в полосе, определение ее полуширины, расчет интегральнойинтенсивности спектра, разложение полос поглощения на составляющие, анализразностных спектров) не позволяют выявить изменения в спектрах водных образцов приповышении или понижении температуры на единицы градусов [1], малых измененияхконцентраций химических примесей или после воздействия на них другихнизкоинтенсивных физико-химических факторов.

Между тем, влияние такихвоздействий способно привести к структурным изменениям в водных образцах и оказатьвлияние на их физические свойства. Например, плотность воды сильно изменяется дажепри небольшом варьировании температуры. При 4ºС наблюдается максимум плотностиводы. Она уменьшается при понижении температуры ниже 4ºС и при повышениитемпературы выше 4ºС.

Высокая плотность жидкой воды обусловлена сцепляющейприродой сетки, образованной водородными связями, с которой каждая молекула водыспособна образовать 4 водородные связи (Н-связи) [2]. Вопреки ожиданиям, расстояниемежду молекулами уменьшается по мере уменьшения плотности воды при понижениитемпературы переохлажденной воды [3].ИК-спектры водных образцов, подвергшихся низкоинтенсивным воздействиям,характеризуются тем, что частоты и интенсивности полос поглощения отличаютсянастолько незначительно, что эти изменения не могут быть выявлены существующимиметодами обработки спектров. При этом, даже незначительные отличия в спектре водыпри таких воздействиях указывают на изменения ее свойств и структуры.

Вследствиеэтого, становится актуальной разработка метода различения ИК-спектров водныхобразцов, подвергшихся низкоинтенсивным воздействиям, т.к. на сегодняшний деньподобных методов обработки спектров не существует. Достоверное различение водныхобразцов может быть необходимым как в научных целях, так и в промышленности,медицине и т.д.Высокая чувствительность свойств водных сред к изменениям температуры наединицы градусов приводит к необходимости создавать экспериментальные установки,позволяющие исследовать температурные зависимости свойств водных сред с высокойточностью термостатирования образца и измерения его температуры.Одним из актуальных объектов исследования при различных температурахявляются водные растворы солей.

Галогениды щелочных металлов содержатся в водахокеанов и морей, организмах животных и человека, играя важную роль. Исследованиеводных растворов солей с помощью колебательной спектроскопии и других методовпозволяет получить информацию об изменениях, происходящих в растворе приизменении концентрации, состава и его температуры [4-7].В настоящее время, существует большое количество работ, посвященныхизучению спектров воды и ее растворов при отрицательных температурах [8-11].

Интерес3к исследованию области переохлаждения воды обусловлен тем, что в этомтемпературном диапазоне вода проявляет большое количество аномальных свойств.Изучение воды и растворов солей щелочных металлов при температурах ниже нуляявляется важным для криобиологии. Известно, что некоторые виды животных, рыб могутсуществовать при отрицательных температурах, кристаллизация жидкостей в ихорганизмах не происходит [12].

Необходимо исследовать процессы, происходящие в них,в том числе изменения, происходящие в структуре воды и водных растворах,содержащихся в их организмах. Результаты исследования водных систем притемпературах ниже 0ºС могут быть полезными для криоконсервации клеток, тканей иэмбрионов для длительного хранения в медицинских целях.Особый интерес представляет исследование ИК-спектров перехода водныхрастворов солей щелочных металлов в твердое состояние при их полном замерзании, т.к.к настоящему времени они изучены не полностью. Замерзание растворов происходитособым образом, сопровождается структурными перестройками в них.

Процессзамерзания водных растворов солей щелочных металлов изучался для полосыпоглощения валентных колебаний для ограниченного набора концентраций [13, 14].Однако, исследование изменений, происходящих в других областях спектра призамерзании раствора, также может дать важные сведения о структурных перестройках внем.Важность достоверного различения ИК-спектров водных образцов, подвергшихсянизкоинтенсивным воздействиям, отсутствие соответствующих методов обработкиспектров, необходимость проведения эмпирических исследований водных систем свысокой точностью измерения температуры в области как положительных, так иотрицательных около нулевых температур, а также недостаток исследованийструктурных изменений в водных растворах хлоридов щелочных металловобуславливают актуальность тематики исследования.Цель работы –– усовершенствование экспериментальной установки на базе инфракрасного Фурьеспектрометра «MIDAC M4000» для возможности получения ИК-спектров в областиотрицательных температур.– разработка метода сравнения и анализа инфракрасных спектров водных систем,различающихся по температуре не менее, чем на 2ºС.Задачи исследования.1.

Модернизация экспериментальной установки на основе ИК-Фурье спектрометра«MIDAC M4000» для получения ИК-спектров жидких образцов при положительных иотрицательных температурах с точностью их термостатирования ±0,5ºС.2. Получение ИК-спектров водных образцов (дистиллированной воды, легкойводы и водных растворов хлоридов щелочных металлов) при близких значенияхтемпературы и концентрации примесей и анализ полученных спектров на предмет поискапризнаков их различия.43. Создание метода различения инфракрасных спектров водных образцов приблизких значениях температуры и концентрации примесных веществ.Основная гипотеза исследования: Изменение температуры водных сред с шагомне менее 2ºС приводит к достоверно различимым характеристикам их инфракрасныхспектров.Объектами исследования являются образцы дистиллированной, водопроводной,легкой воды, а также водных растворов хлоридов щелочных металлов при разныхконцентрациях.Предметом исследования являются температурные и концентрационныезависимости инфракрасных спектров дистиллированной, водопроводной, легкой воды, атакже водных растворов хлоридов щелочных металлов.Научная новизна исследования заключается в том, что в диссертации:1.

Впервые воплощена схема изменения и контроля температуры жидкихобразцов в диапазоне от -12 до 80ºС с точностью ±0,5ºС непосредственно в отсеке ИКФурье спектрометра «MIDAC M4000». Изначально спектрометр не позволяетисследовать область отрицательных температур, его штатный термостат позволяетизменять температуру от комнатной до 100°С с точностью ±1°С.2. Впервые проведено различение и анализ инфракрасных спектров водныхобразцов с помощью разработанного метода расчета начальных моментов.Существующие на сегодняшний день методы обработки спектральных данных непозволяют выявить различие в водных образцах при низкоинтенсивных воздействиях.Созданный метод позволяет различать и исследовать ИК-спектры образцов при близкихзначениях температуры (с разницей не менее 2ºС) и концентрации примесей (с разницейне менее 0,0001 M).3.

Введена новая характеристика сравнения спектров – «Степень различия»,рассчитываемая по различиям в моментах сравниваемых спектров.4. С помощью разработанного программного комплекса впервые определенынаиболее чувствительные частотные области ИК-спектра к температурам -5, -3, 0, 25°Сдистиллированной воды.Теоретическая значимость.Полученные с помощью разработанного в диссертации метода результатыисследования ИК-спектров дистиллированной воды с шагом по температуре 2-3ºС вобласти отрицательных температур позволяют судить об усилении водородных связейпри понижении температуры воды.

Результаты исследования температурных иконцентрационных зависимостей ИК-спектров водных растворов хлоридов щелочныхметаллов в области положительных и отрицательных температур, а также спектровпостепенного замерзания растворов некоторых хлоридов щелочных металлов до ихполной кристаллизации указывают на усиление водородных связей при понижениитемпературы и уменьшении концентрации данных растворов, а также на структурнуюперестройку при изменении фазового состояния раствора.5Практическая значимость.Модернизированная c помощью разработанного термостатирующего блокаэкспериментальная установка на базе инфракрасного Фурье спектрометра «MIDACM4000» для получения ИК-спектров жидких образцов позволяет получать спектры вобласти положительных и отрицательных температур (от -12 до 80ºС) с высокойточностью измерения температуры (±0,5ºС), что особенно важно для исследованиясвойств образцов при изменении температуры на единицы градусов.

Разработанный вдиссертации метод различения и анализа ИК-спектров жидких образцов на основерасчета начальных моментов обладает большой практической значимостью, т.к. онпозволяет различить образцы, подвергшиеся влиянию низкоинтенсивных воздействий,например, концентрации примесей (не менее 0,0001 M). Метод может быть применен втех случаях, когда необходимо проверить чистоту воды, исключить наличие примесей,например, в медицине и фармацевтике, т.к.