Автореферат (1103089), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В противоположность известному в литературе случаю µ = 1, полученные асимптотические выражения показывают, что при q2 /q1 = 2 кажущееся ЭО скольжение наскользкой стенке должно быть подавлено по сравнению со случаем гидрофильной поверхности, что полностью подтверждается данными компьютерного моделирования. Для случая b/H = O(1) мы наблюдаем уменьшение как скоростивнешнего ЭО течения, так и соответствующей скорости ЭО скольжения. Од172b/H = 0u(x)/u11.51.2∞10.5000.20.40.60.81x/HРис. 8. Профили скорости течения жидкости, полученные для H/λD = 12,q2 /q1 = 2, и µ = 0 (символы).
Сплошными линиями (сверху вниз b/H = 0, 1.2,и ∞) показаны теоретические результаты, а штриховыми – асимптотическиевыражения в пределе широкого канала.нако в пределе b = ∞, что соответствует смачивающей пленке жидкости, мынаблюдаем плоское внешнее течение.В конце раздела 3.3 рассматривается частный случай ЭО течения жидкости в симметричном канале, после чего обсуждается новая интерпретациядзета-потенциала на поверхности с подвижным поверхностным зарядом, согласно которой он может зависеть не только от заряда поверхности и концентрации электролита, но и от степени гидрофобности поверхности и шириныканала.Четвертая глава посвящена ионным равновесиям и течению жидкости,возникающим вблизи заряженной поверхности в растворе светочувствительного катионогенного ПАВ, при воздействии лазерным излучением. Данное явление – перспективный метод управления ансамблем частиц на поверхноститвердого тела.
В главе предлагается механизм диффузиоосмотического (ДО)течения жидкости для объяснения движения частиц и жидкости. Кроме того,исследуется зависимость скорости движения от концентрации соли и катионогенного ПАВ. Теоретические результаты сопоставляются с экспериментальными данными и наблюдениями.Экспериментальные измерения проводились с использованием фоточувствительного ПАВ на основе азобензола, см. рис. 9.(б). Азобензолпретерпевает обратимую фотоизомеризацию между более устойчивым транси метастабильным цис-состояниями. Наряду с изменениями конформации,происходят изменения физических свойств молекулы: форма изменяется от18стержневой до угловой, дипольный момент увеличивается от 0 Д в транссостоянии до 3 Д – в цис.
Таким образом, освещение молекул вызывает ихфотоизомеризацию и, как следствие, изменение их степени гидрофобности/гидрофильности и изменение адсорбционных свойств.Рис. 9. (а) Схема экспериментальной установки, состоящей из микроканала,заполненного водным раствором ПАВ. Частицы оксида кремния размером около 2 мкм в диаметре седиментируют на поверхность твердого субстрата. Далеесубстрат локально освещается УФ-светом, который вызывает движение частициз освещенной области.
(б) Химическая структура молекулы катионогенногоПАВ, содержащей светочувствительный фрагмент азобензола. Ниже показанасхема фото-изомеризации молекулы. (в) Пять фотографий поверхности, показывающих последовательные стадии “очистки” поверхности от частиц, полученные через 1 с, 10 с, 30 с, 60 с и 5 мин после облучения.В первом разделе главы описаны основные экспериментальные наблюдения. Схема экспериментальной установки показана на рис. 9.(a): стекляннаяповерхность с микрочастицами оксида кремния (диаметр порядка 2 мкм) помещена в водный раствор ПАВ концентрации c =1 мМ. Фокус лазера (λ =355 нм) находится на уровне твердой поверхности. При включении лазерногосвета коллоидные частицы начинают движение из облучаемой области.
После 519мин облучения поверхность становится практически свободной от частиц. Экспериментально показано, что лазерное излучение не влияет на коллоидные частицы в отсутствии растворенного ПАВ. Таким образом, движение не вызваноэффектами локального нагрева лазерным излучением, а определяется именноградиентами концентрации молекул ПАВ, которые возникают при локальномоблучении.Рис.
10. (a) Схематическое описание инициируемого светом локального ДОтечения жидкости. Движение жидкости возникает в ДЭС. Линии тока жидкости вне ДЭС, представленные на нижнем рисунке, получены путем численногорешения уравнений Стокса.Для объяснения явления в разделе 4.2 диссертационной работы предложена модель локального диффузиоосмотического течения жидкости. Согласномодели, ДО течение вблизи заряженной поверхности инициируется движениемионов в ДЭС (толщины λD ). Из-за избытка ионов вблизи поверхности создается осмотическое давление.
Латеральный градиент концентрации цис-молекул,возникающий во время облучения (в направлении x, рис. 9), индуцирует градиент давления, а следовательно и течение жидкости из облученной области.Качественно оценить скорость ДО течения можно с помощью уравнений Стокса для несжимаемой жидкости. Рассмотрим ДЭС, образующийсявблизи заряженной поверхности.
Так как молекулы ПАВ заряжены, то вследствие их адсорбции вблизи такой поверхности модифицируется ДЭС. При воз20никновении градиента концентрации цис- и транс-молекул ПАВ генерируется∫и градиент поверхностного избытка ионов в ДЭС, ΓДЭС = dy(c+ + c− − 2c0 ).Движущую силу или тангенциальное напряжение, связанное с этим, можнооценить как ∼ kB T ∇ΓДЭС , где ∇ΓДЭС есть градиент поверхностного избыткамолекул ПАВ и противоионов внутри ДЭС. Данное напряжение уравновешивается вязкими напряжениями η∂y u ∝ ηu/λD , что дает приблизительнуюскорость жидкости на границе диффузного слоя:uДО =kB T λD∇ΓДЭС .η(7)Расчеты скорости жидкости за пределами ДЭС на основе данного уравненияприведены на рис. 10. С помощью ур. (7) в работе произведена оценка скоростиДО течения по порядку величины:uДОkB T λD ΓДЭСRT λ2D c0 2∝=ϕ ≈ 7 мкм/с,ηLη L s(8)где диаметр лазерного пучка, L, равен 60 мкм, λD ≈ 10 нм при c0 = 1 мМи η ≈ 1 мПа·с.
В эксперименте электростатический потенциал поверхностиоказался равным ψs ≈ 70 мВ или ϕs ≈ 3. Теоретические оценки находятся вхорошем качественном согласии с измеренными значениями скорости частиц(равными ≃ 1 мкм/с).Предложенная теоретическая модель хорошо согласуется и с другимиэкспериментальными наблюдениями, приведенными в диссертационной работе.
В разделе 4.3 показано, что скорость ДО течения уменьшается с увеличением концентрации одновалентного электролита, что согласуется с уравнением (8). Также отметим, что направление течения изменится, если инвертировать распределения цис- и транс-молекул ПАВ. Этого можно добиться переводом большинства молекул из транс-состояния в цис, облучив весь растворУФ-светом, а затем локальным облучением зеленым светом.
Зеленый свет инициирует возврат молекул из цис-состояния обратно в транс. В этом случае вовремя облучения светом с длиной волны λ = 532 нм частицы двигаются в центрлазерного пучка в течение всего времени облучения, образуя скопление частиц,см. рис. 11.21Рис. 11. (a) Схема возникновения обратного течения. (б) Оптические микрофотографии частиц оксида кремния с диаметром около 2 мкм на поверхностистекла в 1 мМ растворе ПАВ в цис-конформации, которая была получена облучением раствора с помощью УФ лампы в течение 10 мин. (в, г) Раствор локально облучен зеленым светом, инициирующим обратный переход молекулиз цис- в транс-состояние. Черные стрелки показывают направление движениячастиц.В заключении приведены основные результаты работы, которые состоят в следующем:1.
Нейтральные и заряженные полупроницаемые мембраны могут бытьописаны как непроницаемые поверхности с эффективным зарядом. Междутакими поверхностями действуют дальнодействующие силы отталкивания,которые определяются физико-химическими свойствами мембраны иокружающего раствора электролита. Полученные простые выражения длямембранных потенциалов позволяют определить силу взаимодействия иоценить электрокинетические характеристики мембранных наноканалов.Сила взаимодействия поверхностей и потенциалы мембраны, полученныев рамках теории среднего поля, находятся в хорошем согласии с результатами компьютерного моделирования.2.
Электроосмотическое течение жидкости вблизи поверхностей сильнозависит от их степени гидрофобности и типа граничного условия. Предложенное электрогидродинамическое граничное условие позволяет корректноописывать электрокинетические характеристики как гидрофобных, так и22гидрофильных поверхностей с произвольной латеральной подвижностьюповерхностного заряда. Показано, что увеличение длины скольжения невсегда способствует ускорению течения, а жидкость вблизи поверхностиможет течь в направлении, противоположном течению в объеме раствора.Предложена новая интерпретация для дзета-потенциала, и выведены приближенные выражения для скорости электроосмотического скольженияжидкости на гидрофобной поверхности, которые хорошо согласуютсяс результатами компьютерного моделирования методом диссипативнойдинамики частиц.3.
Показано, что ионные равновесия, возникающие в растворе светочувствительного поверхностно-активного вещества при облучении растворалазером, вызывают локальные диффузиоосмотические течения жидкости.Данное явление позволяет локально управлять частицами: либо собирать вцентре лазерного пятна, либо рассеивать. Величина скорости частиц сильно увеличивается с увеличением концентрации поверхностно-активноговещества. При увеличении концентрации электролита скорость частицпадает. Предложенная теоретическая модель позволяет описать данныенаблюдения. Кроме того, рассчитанный профиль скорости жидкостивблизи поверхности и в объеме раствора также хорошо согласуется сэкспериментальными данными.Список литературы1.
Bader G., Ascher U. A new basis implementation for a mixed order boundaryvalue ODE solver // SIAM J. Sci. and Stat. Comp. — 1987. — Vol. 8, no. 4. —Pp. 483–500.2. ESPResSo - an extensible simulation package for research on soft matter systems / H. Limbach [et al.] // Comput. Phys.
Commun. — 2006. — Vol. 174,no. 9. — Pp. 704–727.3. Andelman D. Soft condensed matter physics in molecular and cell biology / ed.by W. Poon, D. Andelman. — New York : Taylor & Francis, 2006. — Chap. 6.234. Electrostatic interaction of neutral semipermeable membranes / O. I. Vinogradova [et al.] // J. Chem. Phys. — 2012. — Vol. 136.
— P. 034902.5. Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. — М. :«Наука», 1987. — С. 29—35. 398 с.6. Israelachvili J. N. Intermolecular and Surface Forces. — London : AcademicPress, 1992.7. Ohshima H. Approximate expression for the potential energy of the doublelayer interaction between two parallel ion-penetrable membranes at small separations in an electrolyte solution // J. Colloid Interface Sci. — 2010. — Vol.350, no.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
