ИНДИКАТРИСА РАССЕЯННОГО СВЕТА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ НОЭЛЕКТРОЛИТОВ

Целый класс водных растворов органических веществ при определенной температуре и концентрации обладает необычными термодинамическими свойствами [1]. На диаграмме фазовых состояний таких растворов наблюдается существенное отклонение термодинамических параметров, таких как избыточный молярный и избыточный парциальный молярный объем, избыточная молярная и избыточная парциальная молярная энтальпии, избыточная молярная и избыточная парциальная молярная энтропия, избыточная молярная и избыточная парциальная молярная энергия Гиббса (избыточные химические потенциалы), активность коэффициенты, теплоемкость, изотермическая сжимаемость и объемное расширение.[1]

Физические процессы предводящие к этим аномалиям могут быть проявляется в молекулярном рассеяние света. Так как рассеяние обусловлена флуктуациями термодинамических параметров, то интенсивность рассеяния будеть зависить от этих флуктуации. В связи с этим мы выполнили исследование Индикатрисы рассеяния света в водных растворах не электролитов. Методика эксперимента описана в [2] работы. Размер частиц (гидродинамический радиус) рассчитывается по формуле Стокса-Эйнштейна, которая связывает размер частиц с их коэффициентом диффузии и вязкостью жидкости.

Метод динамического рассеяния света используется также для измерения скоростей потоков жидкостей и газов. Традиционно, этот вариант метода носит название лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА). В частности, данная конфигурация метода ДРС используется для измерения электрофоретической подвижности наночастиц, откуда рассчитывается их дзета-потенциал.

В качестве примера рассмотрим диффузию монодисперсных наночастиц, диспергированных в жидкости. Хаотическое броуновское движение дисперсных частиц приводит к микроскопическим флуктуациям их локальной концентрации и соответствующим локальным неоднородностям показателя преломления среды.

Рисунок 1. Оптичекая схема эксперименталной установки

Схема экспериментальной установки: Laser –He-Ne лазер; P - поляризаторы; O – объективы или линзы; C – кювета; θ – угол рассеяния; Da – апертурная диафрагма; PM – фотоприёмник; CSA – коррелятор; Ds – диафрагма перед фотоприёмником (катодная).

Апертурная диафрагма D_a и катодная диафрагма Ds позволяют обеспечить пространственную когерентность рассеянного света. Они выделяют площадь когерентности на фотокатоде, т.е. такую площадь, внутри которой разность хода света, рассеянного в разных точках площади боковой проекции объёма рассеяния, составляет менее λ/2. Прибор позволяет исследовать растворы полимеров, биополимеров и коллоидные системы. Измерение размеров частиц возможно в диапазоне от 0.5 нм (размер молекулы воды) до 6 мкм. Источником излучения служит термостабилизированный диодный лазер с длиной волны 654 или 445 нм (мощностью 25 мВт). Необходимый для исследования объем образца – от 0.2 до 10 мл. Прибор позволяет также исследовать угловые зависимости интенсивности светорассеяния в диапазоне от 10° до 150°. Температура термостатирования устанавливается от 15°С до 105°С, возможно исследование температурных зависимостей размеров частиц в данном диапазоне температур. Прибор также позволяет исследовать временные зависимости размеров частиц при их агрегации. Для растворов и коллоидов, содержащих как отдельные частицы, так и агрегаты из них, возможно исследование фрактальной размерности агрегатов. Для измерения электрофоретической подвижности наночастиц в суспензию вводится два электрода, к которым прикладывается напряжение, а в лазерный луч перед линзой О1 вводится раздвоитель пучка. Направление раздвоителя должно совпадать с направлением поля. Тогда объём рассеяния освещается двумя лучами, сходящимися под малым углом ϕ ≈ d/f, где d – расстояние между параллельными пучками на выходе раздвоителя, а f – фокус линзы О1. Интерференция этих лучей дает в направлении поля распределение интенсивности I ~ sin(2πx/Λ), Λ=λ/(2sin(ϕ/2)), и при движении частиц через такую решётку со скоростью V в АКФ появляется множитель cos((2πV/Λ)τ). Зная напряжённость поля, радиус и скорость частиц нетрудно определить их заряд и дзета-потенциал.

Рисунок 2. Результаты измерения индикатрисы

При прохождении лазерного луча через такую среду часть света будет рассеяна на этих неоднородностях. Флуктуации интенсивности рассеянного света будут соответствовать флуктуациям локальной концентрации дисперсных частиц.

Результаты измерения относительной интенсивности МРС в зависимости от угла рассеяния представлены на рисунке 2.

Как видно из рисунка 2, что относительная интенсивность рассеяние света МРС сильно зависеть от концентрации γ-пиколина в воде. Причём это изменение различна для различных углов рассеяния. На угловой зависимости можно выделить прямолинейную зависимость которая различна для различны концентрации. Незначительное количество молекул γ-пиколина существенно влияет на интенсивность МРС для всех углов рассеяния. Таким образом мы можем сделать вывод о том, что присутствие чужо родных молекул сплошной сетки водородных связи воды приводить заметному изменению структуры трехмерной сплошной сетки в объеме рассеяния водном растворе. Таким образом исследования МРС в зависимости от концентрации при различных углах рассеяния может быть использована для диагностики структуры раствора [2].