Диссертация (1103090), страница 18
Текст из файла (страница 18)
4.3. В этом случае во время облучения светом с длиной волны λ = 532 нм частицыдвигаются в центр лазерного пучка в течение всего времени облучения, образуя скоплениечастиц.Экспериментально показано, что скорость движения частиц не зависит от их размера,по крайней мере в интервале от 1 мкм до 40 мкм, см. приложение к работе [157]. Это говорито том, что не частицы являются инициаторами движения, а именно жидкость.
Однако наблюдается сильная зависимость скорости частиц от концентрации ПАВ. На рис. 4.4.(a) показанамаксимальная скорость частиц при различных концентрациях ПАВ для двух направленийдвижения: из освещенной области (при действии УФ света, λ = 355 нм) и в освещеннуюобласть (при действии зеленого света, λ = 532 нм). Концентрация частиц увеличивается с86Рисунок 4.3. (a) Схема возникновения обратного течения.
(б) Оптические микрофотографии частиц оксида кремния с диаметром около 2 мкм на поверхности стекла в 1 мМ растворе ПАВ в цис-конформации, которая была получена облучением раствора с помощьюУФ лампы в течение 10 мин. (в, г) Раствор локально облучен зеленым светом, инициирующим обратный переход молекул из цис- в транс-состояние. Черные стрелки показываютнаправление движения частиц.увеличением концентрации ПАВ и достигает максимального значения при c = 1 мМ.
Другой параметр, влияющий на скорость частиц – концентрация электролита. С её увеличениемскорость частиц существенно уменьшается, как показано на рис. 4.4. Данные наблюденияважны для интерпретации результатов эксперимента и их сопоставления с теоретическоймоделью.4.2 Теоретическая модельРассмотрим теоретически механизм индуцированного светом ДО течения, см.
рис. 4.5.В отличие от течения Марангони, возникающего из-за адсорбированных молекул ПАВ, ДОтечение вблизи заряженной поверхности инициируется движением облака ионов (толщиныλD ). Из-за избытка ионов вблизи поверхности создается осмотическое давление. Латеральный градиент концентрации цис-молекул, возникающий во время облучения (в направленииx), индуцирует градиент давления, а следовательно и течение жидкости из облученной области.Качественно оценить скорость ДО течения можно с помощью уравнений Стокса. Рассмотрим ДЭС, образующийся вблизи заряженной поверхности.
Так как молекулы ПАВ заряжены, то вследствие их адсорбции вблизи такой поверхности модифицируется ДЭС. Есликонцентрация цис- и транс-молекул ПАВ создает градиент поверхностного избытка ионов∫в ДЭС, ΓДЭС = dy(c+ + c− − 2c0 ). Движущую силу или тангенциальное напряжение мож-87Рисунок 4.4. (а) Максимальная скорость частиц оксида кремния с диаметром 2 мкм в функции концентрации ПАВ для двух различных длин волн: УФ (квадратные символы) и зеленыйсвет (треугольные символы).
Критическая концентрация мицеллообразования обозначенаштриховой линией. (б) Максимальная скорость частиц при облучении УФ светом в функции концентрации соли (NaBr).но оценить как ∼ kB T ∇ΓДЭС , где ∇ΓДЭС есть градиент поверхностного избытка молекулПАВ и противоионов внутри ДЭС. Данное напряжение балансируется вязкими напряжениями η∂y u ∝ ηu/λD , и мы получаем приблизительную скорость жидкости на границе диффузного слоя:uДО =kB T λ D∇ΓДЭС .η(4.1)Рассмотрим течение жидкости в объеме раствора.
Скорость течения жидкости в объеме раствора может быть рассчитана из ур. (1.17). Домножая правую часть уравнений Стоксана ∇×, мы получаем:∇2 (∇ × u) = 0.(4.2)Далее мы вводим функцию тока, которая удовлетворяет уравнению неразрывности вур. (1.17) :ux = ∂y Ψ(x,y) и uy = ∂x Ψ(x,y).(4.3)Граничные условия для скорости могут быть записаны как:(∂y Ψ)(x,0) = uДО (x),(4.4)(∂x Ψ)(x,0) =(4.5)0.Мы подчеркиваем, что для расчета профиля скорости внешнего течения в качестве первогограничного условия мы используем скорость uДО , которая определяется ур. (4.1) и являетсятангенциальной скоростью жидкости на границе ДЭС. Второе граничное условие выражаетнепроницаемость поверхности для жидкости.
Ур. (4.2) может быть теперь переписано в виде88Рисунок 4.5. (a) Схематическое описание инициируемого светом локального ДО теченияжидкости. Движение жидкости возникает в ДЭС. Линии тока жидкости вне ДЭС, представленные на нижнем рисунке, получены путем численного решения уравнений Стокса.бигармонического уравнения для функции тока Ψ(x,y):∂ 4 Ψ(x,y)∂ 4 Ψ(x,y) ∂ 4 Ψ(x,y)+2+=0∂x4∂x2 ∂y 2∂y 4(4.6)Профиль скорости течения жидкости в объеме раствора был рассчитан численно, используя общее решение бигармонического уравнения [158] и uДО (x), полученное из экспериментальных данных (рис.
4.2).Оценка (4.1) показывает, что скорость ДО течения должна быть меньше скорости течения Марангони, которое исследовалось ранее на поверхностях жидкость-газ [122]. Скорость течения Марангони пропорциональна толщине пленки, тогда как в нашем случае скорость ДО течения пропорциональна длине Дебая λD . Экспериментально длину Дебая можноуменьшить за счет добавления соли в раствор ПАВ. Как показано на рис.
4.4.(б), увеличение концентрации NaBr в растворе действительно приводит к постепенному подавлениюскорости в соответствии с предложенной нами моделью.Скорость ДО можно представить через градиенты концентрации молекул ПАВ:uДО][kB T λD ∂ΓДЭС∂ΓДЭС=∇ct +∇cc ,η∂ct∂cc(4.7)∂ΓДЭСха∂ciрактеризуют изотермы адсорбции цис- и транс-изомеров. Они могут быть также оцененыгде индексы c, t соответствуют концентрациям цис- и транс-изомеров. Величины89теоретически при рассмотрении структуры ДЭС. С использованием распределения Больцмана и контактной теоремы Грэма [137; 159] выражение для поверхностного избытка принимает вид:ΓДЭС ∝ λD c0 ϕ2s ,(4.8)где ϕs есть безразмерный потенциал поверхности. Из приведенного выражения видно, чтотечение сильно зависит от объемной концентрации ПАВ и потенциала адсорбции цис- итранс-изомеров, которые влияют на дзета потенциал (поверхностный потенциал в данномслучае).
Выражение (4.8) получено в предположении, что ϕs не превышает 100 мВ.4.3 Течение при различных концентрациях ПАВ и электролитаТечение качественно изменяется при переходе через критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ), поэтому отдельно рассмотрим течения при концентрациях вышеи ниже ККМ.
При концентрации ПАВ ниже ККМ более низкая скорость связана с противоположными градиентами концентраций цис- и транс-молекул ПАВ. Так как при этих концентрациях не предполагается образование мицелл, то концентрации молекул ПАВ разнойконфигурации связаны через cc = c0 − ct , и скорость может быть записана какuДО[]kB T λD ∂ΓДЭС ∂ΓДЭС=−∇cc (x).η∂cc∂ct(4.9)Величина скорости и её знак зависят от разности в константах адсорбции изомеров ПАВ.Если концентрация ПАВ выше ККМ, c0 > cККМ , то концентрация транс-молекул остаётся приблизительно постоянной и равной cККМ .
Следовательно, определяющую роль играетименно градиент цис-изомера ПАВ:uДО =kB T λD ∂ΓДЭС∇cc (x).η∂cc(4.10)Таким образом, скорость ДО течения жидкости выше в этом случае, что и наблюдалось экспериментально. Лишь в случае очень сильной адсорбции транс-изомера по сравнению с цисможно ожидать отклонений от формулы (4.10).Оценим скорость ДО течения по порядку величины с помощью ур-й (4.1 - 4.8):uДО ∝kB T λD ΓДЭСRT λ2D c0 2=ϕ ≈ 7 мкм/с,ηLη L s(4.11)где диаметр лазерного пучка, L, равен 60 мкм, λD ≈ 10 нм при c0 = 1 мМ и η ≈ 1 мПа·с.Электростатический потенциал поверхности, ψs ≈ 70 мВ или ϕs ≈ 3, см.
экспериментальные данные для дзета потенциала в работе [157]. При более точном численном решенииуравнений Стокса (1.17) для ДО течения вблизи заряженной поверхности получающеесязначение максимума скорости приблизительно в 10 раз меньше значения, полученного с по-90мощью скейлингового соотношения в ур. (4.1). Теоретические оценки находятся в хорошемсогласии с приведенными выше экспериментальными данными.4.4 Выводы по главе 41. Ионные равновесия вблизи заряженной поверхности, возникающие в растворе светочувствительного ПАВ при облучении лазерным пучком, вызывают локальное течение жидкости.
Характер течения и поле скоростей жидкости зависит от геометрии облученной области.2. Разработанная теоретическая модель диффузиоосмотического течения жидкостипозволяет качественно предсказать зависимость скорости течения от концентрацииПАВ, соли и интенсивности излучения. В рамках данной модели течение жидкостиинициируется в ДЭС за счет градиента концентраций различных изомеров ПАВ(цис- и транс-).3. Показано, что локальные диффузиоосмотические течения могут быть использованы для управления ансамблями частиц. Причем направление движения частиц зависит от длины волны излучения, изомерного состава раствора ПАВ и концентрацииэлектролита. Результаты главы могут быть использованы для разработки устройствдля очистки различных поверхностей от частиц.91ЗаключениеОсновные результаты работы состоят в следующем:1.
Нейтральные и заряженные полупроницаемые мембраны могут быть описаны какнепроницаемые поверхности с эффективным зарядом. Между такими поверхностямидействуют дальнодействующие силы отталкивания, которые определяются физикохимическими свойствами мембраны и окружающего раствора электролита. Полученныепростые выражения для мембранных потенциалов позволяют определить силу взаимодействия и оценить электрокинетические характеристики мембранных наноканалов.Сила взаимодействия поверхностей и потенциалы мембраны, полученные в рамкахтеории среднего поля, находятся в хорошем согласии с результатами компьютерногомоделирования.2.
Электроосмотическое течение жидкости вблизи поверхностей сильно зависит от ихстепени гидрофобности и типа граничного условия. Предложенное электрогидродинамическое граничное условие позволяет корректно описывать электрокинетическиехарактеристики как гидрофобных, так и гидрофильных поверхностей с произвольнойлатеральной подвижностью поверхностного заряда. Показано, что увеличение длиныскольжения не всегда способствует ускорению течения, а жидкость вблизи поверхностиможет течь в направлении, противоположном течению в объеме раствора. Предложенановая интерпретация для дзета-потенциала, и выведены приближенные выражения дляскорости электроосмотического скольжения жидкости на гидрофобной поверхности,которые хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования методомдиссипативной динамики частиц.3. Показано, что ионные равновесия, возникающие в растворе светочувствительного поверхностно-активного вещества при облучении раствора лазером, вызываютлокальные диффузиоосмотические течения жидкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
