Автореферат (1103089), страница 2
Текст из файла (страница 2)
VII конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭРАН “Физикохимия – 2012”, Москва, 13 – 16 ноября 2012 г.11. VI конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭРАН “Физикохимия – 2011”, Москва, 1 – 30 ноября 2011 г.Результаты диссертационной работы были также представлены насовместном семинаре института физики твердого тела РАН и института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН (Москва, 20 января 2017 г. и 29 января2016 г.); на семинаре института Лейбница интерактивных материалов DWI(Ахен, Германия, 10 сентября 2013 г.); на семинаре кафедры теории конденсированных сред института Физики (Университет им. И. Гутенберга, Майнц,Германия, 22 февраля 2012 г.); а также многократно на семинарах лабораториифизикохимии модифицированных поверхностей ИФХЭ РАН и на семинарахкафедры физики полимеров и кристаллов МГУ имени М.В.
Ломоносова.Личный вклад. Постановка задач и результаты исследований обсуждались с научным руководителем. Подготовка результатов работы к публикации выполнялась совместно с соавторами. Программы для численного решенияуравнений разрабатывались лично диссертантом. Программы для компьютерного моделирования разрабатывались автором совместно с В.А. Лобаскиным(Университетский колледж Дублина, Ирландия). Все данные компьютерногомоделирования и численного решения уравнений получены лично диссертантом и являются определяющими.
Физико-математические модели разрабатывались диссертантом совместно с О.И. Виноградовой. Электрогидродинамическое граничное условие в главе 3 предложено А.В. Беляевым и О.И. Виноградовой. Асимптотические результаты и выражения для дзета-потенциала гидрофобных поверхностей получены диссертантом совместно с О.И. Виноградовой.Экспериментальные данные для главы 4 получены Д. Фельдманом, Н. Ломадзеи С. Сантер (Потсдамский университет, Германия).Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, благодарностей, списка сокращений, словаря терминов,списка литературы и приложения в четырех главах. Полный объём диссертации7составляет 128 страниц с 50 рисунками и одной таблицей. Список литературысодержит 169 наименований.Содержание работыВо введении обосновывается актуальность исследований, проводимыхв данной диссертационной работе, формулируется цель, ставятся задачи, обосновываются научная новизна и практическая значимость результатов.Первая глава посвящена обзору литературы по теме диссертации. Вглаве ставятся и обосновываются цели и задачи диссертационной работы, атакже объекты и методы исследования. В первом разделе рассматриваютсяосновные теоретические представления об ионных равновесиях и структуредиффузного электростатического слоя вблизи заряженных поверхностей.
Вчастности, рассматриваются теоретические подходы, применяемые для описания ионных равновесий, в том числе основанные на уравнениях нелинейнойтеории Пуассона-Больцмана (НТПБ) и линеаризованной теории ПуассонаБольцмана (ЛТПБ). Во втором разделе обсуждаются силы взаимодействия вколлоидных системах с неоднородными и полупроницаемыми поверхностямив растворе (поли)электролита, а также экспериментальные методы измеренияэтих сил. Рассматриваются способы вычисления расклинивающего давленияи, в частности, его электростатической составляющей.
Примерами описанныхэкспериментальных систем являются полиэлектролитные микрокапсулы,везикулы, полимерсомы, клеточные мембраны и др. Они проницаемы длямалых ионов (Na+ , K+ ), но непроницаемы для больших молекул, например,для молекул полиэлектролита.В третьем разделе главы рассматривается влияние ионных равновесий на динамические явления вблизи заряженных поверхностей, такие какэлектроосмос, токи течения и диффузиоосмос.
В этом разделе обсуждаютсяпримеры течений, управляемых светом и инициированных на поверхности жидкость-газ. В конце главы делаются выводы на основании анализалитературы.Вторая глава посвящена исследованию ионных равновесий в системахс полупроницаемыми мембранами.Такие равновесия приводят к образованию ДЭС по обе стороны от поверхности и возникновению ненулевогоэлектростатического потенциала даже в случае нейтральных поверхно8c0C0HРис. 1.
Слева схематически показаны полупроницаемые микрокапсулы в растворе электролита. Справа показана теоретическая модель, использованная дляописания систем с полупроницаемыми мембранами. Большие и малые ионыизображены сферами разного размера. Малые ионы проникают во внешнююобласть, вызывая появление поверхностного потенциаластей. Как следствие, между рассматриваемыми поверхностями появляютсядальнодействующие электростатические силы.Теоретическое описание систем в данной главе проводится с помощьюНТПБ и ЛТПБ. Уравнения НТПБ решаются численно методом коллокации [1].Решение для электростатического потенциала используется для расчета профилей концентраций ионов, силы электростатического взаимодействия и профиляскорости электроосмотического течения в системе.
В ряде предельных случаевнами получены приближенные аналитические выражения для данных величин,которые сравниваются с результатами численного решения уравнений. Крометого, теоретические результаты проверяются с помощью компьютерного моделирования в пакете ESPResSo методом ланжевеновской динамики с явно заданными большими и малыми ионами [2].В разделе 2.1 рассмотрено взаимодействие нейтральных полупроницаемых мембран, разделенных прослойкой (поли)электролита толщиной H,как показано на рис. 1.
Конфигурация системы на рис. 1 моделирует взаимодействие полупроницаемых частиц в растворе (поли)электролита. Внутреннийраствор, расположенный между мембранами (|x| < H/2), содержит большиекатионы с зарядом Z > 0 и малые анионы с зарядом z < 0. Он находитсяв контакте с внешним резервуаром – раствором электролита с объемнымиконцентрациями больших и малых ионов C0 и c0 соответственно. Мембраны9непроницаемы для катионов, но проницаемы для анионов.
В роли большихионов могут выступать заряженные коллоидные частицы, наногели, мицеллы,молекулы полиэлектролита и др.Равновесные профили концентрации ионов в системе удовлетворяютраспределению Больцмана [3]:ci,o (x) = c0 exp[−ϕi,o (x)],Ci (x) = C0 exp[−Z̃ϕi (x)].(1)Здесь индексы {i,o} соответствуют внутреннему и внешнему растворам, ϕ =zeψ/kB T и ψ есть безразмерный и размерный электростатические потенциалысоответственно, e – элементарный заряд, kB T – тепловая энергия, а Z̃ = Z/z (<0) – отношение зарядов больших и малых ионов.
Отметим, что Co = 0 ввидунепроницаемости мембран для больших ионов. С учетом (1) уравнения НТПБдля безразмерного электростатического потенциала принимают вид [3; 4]:()∂ 2 ϕi (x)2−ϕi−Z̃ϕi= −κ e − e,∂x2∂ 2 ϕo (x)= −κ2 e−ϕo ,2∂x(2)где мы вводим обратную длину экранирования κ2 = 4πℓB z 2 c0 , где ℓB есть длинаБьеррума, равная ≃ 0.7 нм для воды.
В качестве граничных условий используется условие симметрии, ϕ′i (x = 0) = 0, а также непрерывность потенциалаϕi (H/2) = ϕo (H/2) и его производной ϕ′i (H/2) = ϕ′o (H/2). В разделе 2.1 получены асимптотические выражения для потенциалов ϕm ≡ ϕ(0) и ϕs = ϕ(H/2).Сравнение результатов компьютерного моделирования и НТПБ дляпрофилей концентраций ионов показано на рис.
2. Как видно из рисунка, малыеионы могут проникать из межмембранной области во внешнее бесконечноеполупространство (|x| > H/2), но их концентрация убывает с увеличениемx. В результате внутренний раствор становится заряженным положительно,а внешний – отрицательно. Электролит отсутствует во внешнем растворе,поэтому там находятся только анионы, суммарный заряд которых равен избыточному заряду пленки. Вследствие таких равновесий профиль концентрациибольших ионов имеет максимум на поверхности мембраны. Подобные расчеты выполнялись для разных значений c0 , соответствующих концентрациям(поли)электролита c0 от 3 × 10−5 М до 5 × 10−3 М для водных растворов и дляразных Z̃ от −1 до −5.
Во всех случаях мы наблюдали хорошее согласие спредсказаниями НТПБ.10Рис. 2. Профили концентрации, полученные в компьютерном моделированиидля больших и малых ионов (символы), а также теоретические результаты врамках теории Пуассона-Больцмана (штриховые линии). Другие параметры системы равны Z̃ = −3, κH = 2.22.Анализ ионных равновесий использовался для расчета удельной силыэлектростатического взаимодействия (расклинивающего давления) мембран врастворе (поли)электролита.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
