Диссертация (1103090)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиМадуар Салим РушдиевичИОННЫЕ РАВНОВЕСИЯ И ТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ВЗАРЯЖЕННЫХ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМАХСпециальность 01.04.07 —«Физика конденсированного состояния»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наукВиноградова Ольга ИгоревнаМосква — 20172ОглавлениеСтр.Введение . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5Глава 1. Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.11.21.31.4Теоретические представления об ионных равновесиях . . .
. . . . . . . . . . . 131.1.1Двойной электрический слой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1.2Уравнения теории среднего поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.1.3Безразмерные переменные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Взаимодействие коллоидных объектов .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.1Расклинивающее давление как мера взаимодействия поверхностей . . 181.2.2Неоднородные поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2.3Проницаемые поверхности (мембраны) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Электрокинетические явления . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 271.3.1Электроосмотическое течение жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.3.2Токи течения в заряженных микро- и наноканалах . . . . . . . . . . . 301.3.3Диффузиоосмотическое течение . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 32Выводы по главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Глава 2. Ионные равновесия в системах с полупроницаемыми мембранами . . . . 352.12.22.3Нейтральные мембраны, разделенные прослойкой электролита . . . . . . . . 352.1.1Уравнение Пуассона-Больцмана и формальное решение . .
. . . . . . 362.1.2Асимптотический подход к уравнению Пуассона-Больцмана . . . . . . 402.1.3Компьютерное моделирование полупроницаемых мембран . . . . . . 422.1.4Электростатическое взаимодействие мембран . . . . . . . . . . . . . . 442.1.5Сравнение с результатами компьютерного моделирования . . . . . . . 46Заряженные мембраны в растворе электролита . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 482.2.1Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.2.2Профили концентрации и распределение потенциала . . . . . . . . . . 502.2.3Асимптотический анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 522.2.4Анализ мембранного потенциала и потенциала в центре щели . . . . . 552.2.5Расчет давления и электроосмотических течений вблизи мембран . . . 592.2.6Течение жидкости вблизи заряженных мембран . . . . . . . . . . . . . 60Электростатическое взаимодействие мембраны с неоднороднозаряженными поверхностями . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.3.1Теоретический подход к описанию ионных равновесий иэлектростатических сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.3.2Компьютерное моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6632.42.3.3Однородно заряженная поверхность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.3.4Неоднородно заряженная стенка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Выводы по главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Глава 3. Электроосмос вблизи гидрофобной поверхности с подвижным зарядом . 743.1Постановка задачи .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.2Компьютерное моделирование электроосмотического течения жидкости . . . 773.3Результаты расчетов ЭО течения и их обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . 783.4Выводы по главе 3 . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Глава 4. Управляемое светом диффузиоосмотическое течение жидкости . . . . . . 834.1Экспериментальные наблюдения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.2Теоретическая модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 864.3Течение при различных концентрациях ПАВ и электролита . . . . . . . . . . 894.4Выводы по главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 91Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Словарь терминов . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Приложение А. Нейтральные полупроницаемые мембраны . . . . . . . . . . . . . 108А.1 Вывод асимптотического выражения для ϕs в пределе малых κo H. . . . . . 108А.2 Определение расклинивающего давления . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 108А.3 Решение уравнений ЛТПБ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109А.4 Компьютерное моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110А.5 Численное решение уравнения ПБ для мембран . . . . . . . . .
. . . . . . . . 112Приложение Б. Численное решение НТПБ для заряженных мембран врастворе электролита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Приложение В. Взаимодействие мембраны и заряженной поверхности: выводформулы для расклинивающего давления . . . . . . . . . . . . . . 118Приложение Г. Электроосмотическое течение жидкости вблизи гидрофобнойповерхности. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Г.1 Вывод электрогидродинамического граничного условия . . . . . . . . . . . . 1214Г.2 Электроосмотическое течение в асимметричном канале. . . . . . . . . . . . 122Г.3 Электроосмотическое течение в симметричном канале .
. . . . . . . . . . . . 124Г.4 Компьютерное моделирование электроосмотического течения жидкости . . . 1255ВведениеВблизи практически любой поверхности в растворе электролита образуется флуктуирующее облако ионов, компенсирующее её заряд, – диффузный электростатический слой(ДЭС). С его особыми свойствами связано множество явлений в коллоидных, электрохимических и биологических системах. С одной стороны, ДЭС существенно влияет на равновесные свойства системы, так как между частицами и поверхностями в растворе электролитавозникают электростатические силы.
Благодаря сравнительно большой протяженности ДЭС(до 100-500 нм) эти силы носят дальнодействующий характер и, тем самым, играют определяющую роль в самоорганизации систем на данных масштабах. Так, электростатическиесилы являются основой для управления коагуляционной устойчивостью суспензий синтетических и биологических объектов, что важно для создания ионных и коллоидных кристаллов, а также других структурированных агрегатов частиц. С другой стороны, наличие ДЭСопределяет и динамические свойства систем. Так, ионы в ДЭС находятся в тепловом движении (по сравнению с фиксированными зарядами на поверхности) и могут реагировать навнешние поля, приводя к различным электрокинетическим явлениям, таким как электроосмос, электрофорез, диффузиоосмос и другие.Ионные равновесия и структура ДЭС очень чувствительны к свойствам поверхности.В подавляющем числе теоретических моделей предполагается, что поверхности однородны, непроницаемы, а поверхностный заряд неподвижен.
Однако, существуют и более сложные объекты, для которых данные предположения неверны. Ограничимся лишь несколькими примерами.Во-первых, широко распространены поверхности, обладающие избирательной проницаемостью к ионам в растворе из-за наличия ионных каналов или пор определенного размера. Поверхности таких объектов называют полупроницаемыми. Современные методы самосборки позволяют получать такие частицы, как полиэлектролитные микрокапсулы, полимерсомы, липосомы, которые проницаемы для малых ионов (Na+ , K+ ), но непроницаемы для больших полиэлектролитных молекул. Примеры подобных систем можно найти ив природных системах: клеточные мембраны, везикулы, капсиды вирусов и другие.
Анализионных равновесий в таких системах помог бы объяснить сложные биологические явленияи дать универсальный способ их описания.Во-вторых, современные методы синтеза позволяют создавать большое множествомикро- и нанообъектов с неоднородным распределением заряда и анизотропными свойствами поверхности. С помощью нанопечатной литографии можно создавать структуры с характерным размером менее 10 нм. Другими примерами могут быть наночастицы с островкамизаряда на поверхности, в том числе наночастицы Януса.В-третьих, поверхностные заряды могут быть латерально подвижными, в частности,на поверхностях раздела жидкость-газ или на гидрофобных твердых поверхностях.
Подвижные заряды возникают при адсорбции поверхностно-активных ионов. Их присутствие может6сильно повлиять на динамические свойства системы. Исследование данных систем особенноважно для дизайна микро- и нанофлюидных устройств, где широко используются гидрофобные поверхности.Для описания ионных равновесий вблизи перечисленных объектов требуется расширить существующие теоретические модели.
Это позволит провести более корректную интерпретацию экспериментальных данных об адгезии заряженных частиц и их коагуляции.Кроме того, новые модели позволят вычислять динамические характеристики системы, такие как дзета-потенциал, электроосмотическую подвижность, скорость частиц и токи течения, которые доступны экспериментальному измерению. Особенную важность эти характеристики приобретают в связи с бурным развитием микрофлюидики и нанофлюидики, гденеобходимо контролировать течение жидкости, частиц и ионов в очень тонких каналах.Таким образом, в данной диссертационной работе исследуется влияние проницаемости поверхности, неоднородности поверхностного заряда и его латеральной подвижности наионные равновесия и течение жидкости вблизи поверхности. В рамках уравнений сплошнойсреды исследуются ДЭС, вычисляются профили плотности ионов и электростатические характеристики исследуемых поверхностей. Результаты расчетов для ДЭС применяются дляпредсказания силы электростатического взаимодействия поверхностей и скорости теченияжидкости вблизи них под действием внешних полей (градиента концентраций ионов илиэлектрического поля).
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
