Диссертация (1103090), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Проверка теоретических моделей осуществляется методами компьютерного моделирования: ланжевеновская динамика и диссипативная динамика частиц.Актуальность темыАктуальность исследования определяется необходимостью построения новых теоретических моделей ионных равновесий в системах с особыми свойствами поверхности: избирательной проницаемостью к ионам, неоднородностью распределения заряда и его латеральной подвижностью.
Такого рода системы плохо изучены и могут демонстрироватькачественно новое поведение по сравнению с классическими заряженными поверхностями.Для изучения равновесных свойств таких поверхностей важно разработать аналитические формулы зависимости силы от расстояния между ними. Это позволит интерпретировать их экспериментальные силовые кривые, а также управлять адгезией и коагуляцией коллоидных частиц в растворе. При исследовании динамических свойств таких поверхностейновые теоретические модели позволят определить их гидродинамические и электростатические характеристики (например, степень гидрофобности, дзета-потенциал или поверхностную плотность заряда).Кроме того, бурно развиваются области микро- и нанофлюидики, где важна разработка новых методов управления течением жидкости и частицами для решения технологических задач и разработки миниатюризированных устройств.
Основные трудности связаныс тем, что течение жидкости сильно затруднено в тонких каналах. Механические методыуправления частицами неприменимы в микро- и наноканалах. Одним из решений является7применение гидрофобных материалов, светочувствительных заряженных молекул и электрического поля или градиента концентрации в микро- и наноканалах. В этой связи необходимо разработать теории течений жидкости и электрокинетических явлений, учитывающиекак гидрофобное проскальзывание жидкости, так и особые ионные равновесия вблизи неё,вызванные градиентами концентраций ионов.
В частности, необходимо исследовать влияние латеральной подвижности поверхностного заряда и проницаемости поверхности.Исследования поддержаны грантом РФФИ (проект 12-03-00916 “Электроосмотические равновесия в многофазных полиэлектролитных микро- и наносистемах” (2012 –2014 г.), руководитель – д.ф.-м.н. О.И. Виноградова); грантом РФФИ (проект 15-01-03069“Гидродинамические течения и транспорт частиц в анизотропных супергидрофобных микроканалах” (2015 – 2017 г.), руководитель – д.ф.-м.н. О.И.
Виноградова); грантом РФФИ(проект 16-33-00861 “Компьютерное моделирование ионных равновесий и деформацииполимерных микро- и нанокапсул в растворе электролита” (2016 – 2017 г.), руководитель– С.Р. Мадуар); грантом РФФИ (проект 16-32-00558 “Электрокинетическое разделениечастиц в тонких супергидрофобных каналах” (2016 – 2017 г.), руководитель – А.Л.
Дубов);премией имени А. Н. Фрумкина за опубликованные работы студентов и аспирантов(2014 г.); стипендией Президента РФ для аспирантов (2015/2016 учебный год) и премиейимени академика В.А. Кистяковского (2016 г.).Целью данной работы является установление связи физико-химических свойств поверхности с ионными равновесиями, её электрокинетическими характеристиками и взаимодействием с другими объектами в растворе электролита.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:1. Исследовать совместное влияние поверхностного заряда и полупроницаемости поверхности на ионные равновесия, её электростатическое взаимодействие и электрокинетические характеристики.2.
Разработать приближенные методы описания ионных равновесий и закономерностей электростатического взаимодействия вблизи неоднородно заряженныхповерхностей.3. Описать теоретически и провести компьютерное моделирование электрокинетических характеристик гидрофобных поверхностей, рассмотреть влияние латеральнойподвижности поверхностных зарядов.4. Изучить течение жидкости и частиц, возникающее в растворе светочувствительного поверхностно-активного вещества (ПАВ) при облучении светом. Выявить связьскорости течения жидкости с концентрацией ПАВ, концентрацией электролита иповерхностной плотностью заряда.Научная новизна:1.
Выведены асимптотические выражения для потенциала поверхности и силы взаимодействия полупроницаемых мембран в растворе электролита в зависимости от8расстояния между ними и их поверхностного заряда. Разработана концепция эффективного заряда для описания полупроницаемых поверхностей. Показано, чтоэффективный заряд отличается от реального и даже может иметь противоположный знак.2.
Получены аналитические выражения для электростатического взаимодействиянейтральной полупроницаемой мембраны с неоднородно заряженной поверхностью. Показано теоретически и подтверждено методами компьютерногомоделирования, что неоднородное распределение заряда приводит к сильномууменьшению электростатического отталкивания между поверхностями.3. Впервые в компьютерном моделировании методом диссипативной динамики частиц доказана применимость электрогидродинамического граничного для описания гидрофобных поверхностей с подвижными зарядам. Предложена обобщеннаяинтерпретация дзета-потенциала поверхности, позволяющая учитывать гидрофобное скольжение и латеральную подвижность заряда.4. Предложена математическая модель локального диффузиоосмотического теченияжидкости, инициированного градиентом ионогенного ПАВ, вблизи твердой поверхности.
Выявлена зависимость скорости течения от концентрации электролитаи ПАВ. Теоретическая модель подтверждается экспериментальными данными.Практическая значимостьПолученные аналитические выражения для электростатических сил позволяют описывать экспериментальные данные о взаимодействии полупроницаемых или неоднороднозаряженных поверхностей в растворе электролита. Они также важны для управления самоорганизацией, коагуляцией и адгезией проницаемых и неоднородных частиц.Электрогидродинамическое граничное условие может быть использовано для решения инженерных задач в области микро- и нанофлюидики.
Проведенный анализ электрокинетических явлений позволяет создавать устройства для характеризации свойств поверхностей на основе измерения электроосмотической подвижности жидкости и частиц. Управляемое светом диффузиоосмотическое течение жидкости позволяет контролируемо собиратьили рассеивать частицы в определенной области, что можно использовать для локальной (впределах нескольких микрометров) очистки поверхностей.Основные положения, выносимые на защиту:1.
Аналитические выражения для потенциала поверхности и силы взаимодействия полупроницаемых мембран в растворе электролита в зависимости от расстояния между ними и поверхностной плотности заряда. Концепция эффективного заряда дляописания полупроницаемых поверхностей.2. Теоретическая и компьютерная модель для вычисления силы взаимодействия в системах с неоднородно заряженными и полупроницаемыми поверхностями.93. Электрогидродинамическое граничное условие для описания электроосмотического течения жидкости вблизи гидрофобных поверхностей.
Аналитические выражения для дзета-потенциала и скорости течения жидкости вблизи поверхностей с произвольной степенью гидрофобности и с произвольной латеральной подвижностьюповерхностного заряда.4. Математическая модель локального диффузиоосмотического течения жидкости,индуцированного градиентами ионогенных ПАВ.Апробация работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статейи 11 тезисов всероссийских и международных конференций. Результаты настоящего исследования были представлены на следующих научных конференциях:1.
XI конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН “Физикохимия – 2016”, Москва, 6 – 8 декабря 2016 г.2. “The 4th International Soft Matter Conference (ISMC2016)”, Гренобль, Франция, 12 –16 сентября 2016 г.3. X конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН “Физикохимия – 2015”, Москва, 1 – 3 декабря 2015 г.4. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных“Ломоносов-2015”, Москва, 13 – 17 апреля 2015 г.5. XXII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных “Ломоносов-2015”, Москва, 13 – 17 апреля 2015 г.6. 38-х Фрумкинских чтениях по электрохимии, Москва, 21 ноября 2014 г.7.
IX конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН “Физикохимия – 2014”, Москва, 2 – 5 декабря 2014 г.8. VIII конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ “Физикохимия– 2013”, Москва, 11 – 13 ноября 2013 г.9. “Faraday Discussion 166, Self-assembly of Biopolymers”, Бристоль, Великобритания,16-18 сентября 2013 г.10. “IV International Conference on Colloid Chemistry and Physicochemical Mechanics”,Москва, 30 июня–5 июля 2013 г.11. VII конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН “Физикохимия – 2012”, Москва, 13 – 16 ноября 2012 г.12.
VI конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН “Физикохимия – 2011”, Москва, 1 – 30 ноября 2011 г.Результаты диссертационной работы были также представлены на семинарах:– На совместном семинаре института физики твердого тела РАН и института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН (Москва, 20 января 2017 г. и 29 января 2016 г.);– В институте Лейбница интерактивных материалов DWI (Ахен, Германия, 10 сентября 2013 г.);10– На кафедре теории конденсированных сред института Физики (Университет им.И.
Гутенберга, Майнц, Германия, 22 февраля 2012 г.);а также многократно на семинарах лаборатории физикохимии модифицированных поверхностей ИФХЭ РАН и на семинарах кафедры физики полимеров и кристаллов МГУ имениМ.В. Ломоносова.Личный вклад. Постановка задач и результаты исследований обсуждались с научнымруководителем. Подготовка результатов работы к публикации выполнялась совместно с соавторами.
Программы для численного решения уравнений разрабатывались лично диссертантом. Программы для компьютерного моделирования разрабатывались автором совместно с В.А. Лобаскиным (Университетский колледж Дублина, Ирландия). Все данные компьютерного моделирования и численного решения уравнений получены лично диссертантом и являются определяющими. Представленные в диссертации физико-математическиемодели 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
