Диссертация (1144795), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Это может вызвать градиенты поверхностного натяжения, которые, всвою очередь, могут привести к потоку Марангони и появлению дополнительного конвективного движения в капле–поверхностная конвекция (Ма-рангони), обусловленная неоднородностью температуры поверхности и концентрации поверхностно-активных веществ (альбумина). Поскольку температура в верхней части капли больше, чем в нижней, коэффициент поверхностного натяжения меняется от точки к точке. Согласно экспериментальным данным [42], относительное отклонение коэффициента поверхностногонатяжения воды в условиях высыхания капли при вариациях температурыповерхности в пределах 1° не превышает 0.002.Это означает, что кривизна свободной поверхности капли испытываетотносительные отклонения того же порядка.
Так как в рамках модели сферического сегмента подобная погрешность мала по сравнению с погрешностьюсферического приближения, влиянием неоднородности температуры поверхности на конвективные процессы, протекающие в капле, можно пренебречь.169абРисунок 3.22 − Изменение диаметра капли (синяя кривая) и температуры повысоте капли (красная кривая) при двух режимах испарении: а – ПКЛ – длямодельной жидкости I‒го типа; б – ПКУ – для модельной жидкости II‒го типа.
Начальный диаметр капли 8.9 мм, температура воздуха 22.4 °С, влажность – 65%, ширина стеклянной подложки hS = 2 мм170Однако в случае капли БЖ более значимым эффектом может являтьсязависимость величины коэффициента поверхностного натяжения от концентрации растворенных веществ. Растворенный в капле альбумин снижает поверхностное натяжение воды. В то же время зависимость коэффициента поверхностного натяжения σ проявляется лишь при концентрациях, меньших cMв точке мицеллообразования [61; 153].Если первоначальная концентрация альбумина существенно выше cM −это наблюдается в части БЖ [164], то возникающие неоднородности распределения альбумина вблизи поверхности на гидродинамическом этапе слабовлияют на значение коэффициента поверхностного натяжения.Направление потока Марангони при испарении капли на твердой подложке определяется отношением коэффициентов теплопроводности твердойподложки и жидкости kR = kl/kS.
Если теплопроводность подложки, по крайней мере в 2 раза больше, чем у капли жидкости, поток Марангони направленрадиально наружу вдоль подложки. Что подтверждается подстановкой известных коэффициентов теплопроводности в Дж/(кг·град): вода – 0,597;цельная кровь – 0,55; белок – 0,042; NaCl – 0.504; стекло – 1.265 [61; 153]. Сдругой стороны, когда теплопроводность подложки значительно меньше, чему капли жидкости, поток Марангони направлен внутрь вдоль подложки доцентра капли.Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты.1.
Для капель использованного нами размера гравитационными силамиможно пренебречь. Эволюция капли при этом будет определяться капиллярными силами и взаимодействием с подложкой. Еще одно предположение состоит в том, что в каждый момент времени капля представляет собой сферический сегмент, параметры которого определяются объемом капли и радиусом контактной линии. Средняя длина свободного пробега при нормальныхусловиях для типичных газов имеет порядок 10 нм, так что температурным171скачком в масштабах задачи можно пренебречь (поскольку характерные размеры системы много больше длины свободного пробега).2.
Скорость испарения растворителя из капли раствора в атмосферуесть процесс, который контролируется диффузией пара с поверхности капли.Следовательно, испарение капли описывается нестационарным уравнениемдиффузии. Вследствие испарения растворителя температура поверхностикапли понижается. Этот эффект важен при использовании в качестве растворителя летучих жидкостей, а для водных растворителей при нормальныхусловиях пренебрежимо мал.3.
Для капель в исследуемых малых объёмах можно пренебречь и эффектом Марангони (возникновением поверхностных потоков за счет температурной зависимости поверхностного натяжения). Также можно пренебречьколебаниями капли, происходящими при ее установке из-за большой жесткости системы, высокой частоты и малой амплитуды таких колебаний.172Глава 4. Процессы структурообразования при клиновиднойдегидратации биологических и модельных жидкостейИсследование процессов и структуры течений в высыхающих капляхчистых жидкостей, истинных или коллоидных растворов, а также в БЖ достаточно сложны. Наибольшие трудности возникают при описании процессов и проведении количественных измерений структуры течений в высыхающих каплях БЖ, которые не могут быть выполнены в полной мере ввидучрезвычайно высокой сложности состава растворённых веществ в этих жидкостях. Поэтому предварительные аналитические исследования нами былипроведены на простых по составу МЖ, состоящих не более чем из двух илитрех компонентов.
В дальнейшем полученные данные были использованыкак опорные точки при анализе структуризации БЖ в процессе клиновиднойдегидратации.Анализ структурных элементов высыхающих капель МЖ заставил нас,прежде всего, обратить внимание на исследование механизмов формирования краевого валика [148; 225]. В качестве факторов образования осадка вкапле рассматривались транспортные процессы [318] или поверхностнаяконвекция Марангони, обусловленная неоднородностями концентрации итемпературы [277].Экспериментальные наблюдения за альбумин-солевыми и воднымиМЖ с заданной концентрацией растворенных веществ, дали возможностьвыявить соответствующие особенности формирования структуры фации.4.1. Формирования фаций солевых и белково-солевыхмодельных жидкостей при клиновидной дегидратацииВ природе и в лабораторных экспериментах можно наблюдать множество физико-химических неравновесных систем, развитие которых сопровождается формированием пространственно-временных кольцевых структур,173что, в первую очередь обусловлено периодическим изменением физикохимических параметров эволюционирующей системы.
Изучение таких систем представляет практический интерес, поскольку картина высыхающихкапель применяется в клинической медицинской практике, где для диагностики используются фации БЖ, структура которых позволяет оперативноразличать нормальное и патологические состояния организма, а также оценивать эффективность лечения.Фазовый переход от жидкого состояния в дегидратированное совершается через промежуточную стадию – гелеподобное состояние, в котором сохраняются отдельные геометрические особенности течений, существовавшихна этапе жидкой стадии.
На этом основывается предположение, что структурные особенности фации могут содержать информацию о составе геля, молекулярной взаимосвязи всех составляющих его веществ, а также пространственной структуре потоков внутри жидкой капли.В настоящем разделе проведено исследование формирования периодических структур на основе МЖ, включающих два основных компонента биологических жидкостей: сывороточный альбумин человека (САЧ) и соль(NaCl).Экспериментальная методика включала: 1) приготовление белковыхрастворов, содержащих солевую добавку различной концентрации, 2) отборпроб и нанесение их на стеклянную подложку, 3) видеосъемку капли в процессе ее испарения до состояния полной дегидратации.
Далее проводилсяанализ видеозаписей – по каждой выделялись кадры, соответствующие одинаковой стадии формирования системы кольцевых структур.Способность молекул САЧ связывать обширный круг лигандов определяет одну из основных функций этих белков – транспорт физиологическихи патологических метаболитов, а также других компонентов, попадающих вкровоток.Капли САЧ, растворённого в физиологическом растворе повареннойсоли (исходный раствор) в последующих концентрациях cA = 0.10, 0.25, 0.50,1740.75 и 1.0 г/100 мл помещались на предметные стекла. Начальный объем(диаметр основания) капли устанавливали в пределах от 1 до 10 мм, чтобысравнить формирование структур фации при различных размерах капли.Начальный контактный угол (КУ) θ0, всей капли зависел от концентрацииальбумина и находился в пределах ~ 50° – 60°.Во время испарения капли САЧ её диаметр оставался постоянным в течение некоторого времени, а КУ и объем уменьшались практически линейно.КУ θ и объем жидкости VL, как функция времени, показана на Рисунке 4.1для капель с cA = 1.0 г/100 мл.Рисунок 4.1а иллюстрирует изменение КУ во время испарения капель сдиаметрами в пределах от ~ 2 – 5 мм.
Линия тренда (сплошная линия на Рисунке 4.1a) при линейном сглаживании полученных данных хорошо коррелирует с экспериментальными данными в пределах коэффициента корреляции от 0.97 – 0.99.На Рисунке 4.1б показано изменение объема капли в зависимости отвремени испарения. Если форма капли имела КУ меньше 10° – 15° изменениеобъема капли в зависимости от времени носило нелинейный характер, чтобыло связано, также, с увеличенной погрешностью измерений. В дальнейшемданными по объему капли с контактными углами θ < 10° пренебрегали.Изображение на Рисунке 4.2а показывает, что фация САЧ имеет гладкую поверхность и радиально симметрична.
Присутствует четкое кольцо (D2> 3.0 мм) по периметру фации. Кривая на Рисунке 4.2б характеризует профиль фации (сагиттальный разрез по диаметру), полученный методом анализа формы капли АФК (сглаженная кривая интенсивности точек фации вдольее диаметра).На Рисунке 4.2б высота капли (ось Z) и величина вдоль основания (в z =0) представлена в мм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
