WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

Шкирин Алексей Владимирович

hqqkednb`mhe qprjrp{ a`aqnmm{u

jk`qepnb b bndm{u p`qbnp`u

}kejpnkhnb lend`lh k`gepmni

dh`cmnqhjh

Специальность: 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико - математических наук

Москва – 2014

Работа выполнена в Научном центре волновых исследований Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института общей физики им.

А.М. Прохорова Российской академии наук (филиал)

Научный руководитель: Бункин Николай Федорович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры Физики Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Официальные оппоненты: Емельянов Владимир Ильич, профессор доктор физико-математических наук, профессор кафедры Общей физики и волновых процессов Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Пожар Витольд Эдуардович, доктор физико-математических наук, заведующий отделом Акустооптических информационных систем Научно-технологического центра уникального приборостроения Российской академии наук

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Защита состоится « » 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета диссертационного совета Д 002.063.01 в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова, д. 38.

тел. +7(499) 135-8234, +7(499) 503-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им.

А.М. Прохорова РАН.

Автореферат разослан « » 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук В.М. Кузькин

1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется необходимостью, с одной стороны, развития бесконтактных методов диагностики внутренней микро- и наноструктуры жидкостей (в частности, коллоидных систем), а с другой стороны, исследования процессов агрегации дисперсных частиц, которые являются общей чертой практически всех коллоидных систем, особенно если эти частицы заряжены.




Потребность в получении информации о микроструктурных параметрах жидкостных систем возникает во многих областях, включая контроль технологических процессов, экологический мониторинг, биомедицинские и геофизические исследования. Одной из главных задач нанотехнологии можно назвать неинвазивную диагностику систем, состоящих из наноразмерных частиц. Степень агрегации (кластеризации) наночастиц и морфология получающихся агломератов на различных технологических этапах задают окончательную структуру и последующие физико-химические свойства наноматериалов (например, растворимость, механическая прочность, электро- и теплопроводность, скорость химических реакций и т.д.).

В качестве интересной с фундаментальной и практической точек зрения, почти незатронутой другими исследователями проблемы, выступает вопрос о структуре газовой фазы, содержащейся при нормальных условиях даже в очищенных от твердых примесей растворах электролитов и являющейся источником их естественной гетерогенности [1-4]. В [1] была впервые предложена и теоретически обоснована модель, представляющая долгоживущие микронеоднородности в водных ионных растворах как бабстонные кластеры. Там же был введен термин «бабстон» (аббревиатура от англ. bubble, stabilized by ions) для обозначения стабильных нанопузырьков, спонтанно возникающих при нормальных условиях в жидкостях, насыщенных растворенным газом и содержащих ионную компоненту. Присутствие бабстонов и их кластеров в водных средах существенно влияет на их физические свойства, снижая пороговые значения таких явлений, как кипение, оптический пробой, а также ультразвуковая кавитация. В то же время для практических применений (например, в ядерной энергетике) требуется высокая устойчивость жидкости к перегреву, а также оптическим и ультразвуковым полям высокой интенсивности. Следует отметить, что образование бабстонов имеет существенное значение в объяснении ряда биологических процессов. Таким образом, изучение законов формирования бабстонно-кластерной фазы в водных средах представляет собой актуальную задачу. В связи с этим диссертационная работа была посвящена экспериментальной проверке существования нанопузырьковых (бабстонных) кластеров в водных ионных растворах и определению их структурных параметров.

Для неразрушающей диагностики объемных образцов жидкостей, обладающих достаточной прозрачностью для оптического излучения, активно применяются лазерные методы, в первую очередь, лазерная интерференционная микроскопия, динамическое рассеяние света (фотонная корреляционная спектроскопия) и лазерная скаттерометрия (измерение углового распределения характеристик рассеянного лазерного излучения). Использование именно лазерных источников играет принципиальную роль в этих методах, поскольку лазеры сочетают необходимую степень когерентности излучения с высокой интенсивностью. Среди методов, основанных на регистрации рассеянного излучения, следует особо выделить методы, основанные на регистрации состояния поляризации излучения, рассеянного исследуемым объектом. Матрица рассеяния света (МРС), определенная как матрица Мюллера (4х4), описывает преобразование состояния поляризации света, заданного вектором Стокса, и содержит наиболее полную информацию о рассеивателях, доступную при измерении статического рассеяния [5].





Теоретическому моделированию угловых зависимостей матриц рассеяния дисперсных частиц и, в том числе, их агрегатов посвящены работы [5-9]. Однако, как правило, расчеты делаются для отдельных кластеров с фиксированными параметрами, без учета стохастичности распределения этих параметров в рассматриваемой дисперсной системе, тогда как матрицы рассеяния реальных коллоидных систем должны моделироваться путем усреднения по целому ансамблю кластеров. Закономерности углового поведения элементов МРС систем из большого числа случайных реализаций кластеров, формирующихся в соответствии с определенным механизмом агрегации дисперсных частиц, практически не изучены и требуют, в первую очередь, экспериментальных исследований. В то же время экспериментальные работы, касающиеся влияния кластеризации дисперсных частиц на элементы МРС в жидкостях, немногочисленны. Поэтому актуальной задачей является, во-первых, создание автоматизированных приборов для измерения всех элементов матрицы рассеяния образцов жидкостей – поляриметрических скаттерометров, во-вторых, выяснение особенностей поведения матричных элементов (их угловых и спектральных зависимостей) для различного рода дисперсных систем с учетом процессов агрегации частиц дисперсной фазы. В итоге, решение этой задачи позволило бы выработать методику восстановления параметров микрофизической структуры исследуемой дисперсной системы по измеренным значениям элементов матрицы рассеяния. Для получения правильной информации о структуре рассеивателей по угловым зависимостям МРС важно знание, по крайней мере, ориентировочных значений некоторой части параметров дисперсной фазы, таких, как показатель преломления и диапазон размеров рассеивающих частиц, поэтому при исследовании микроструктуры дисперсных систем перспективно совместное использование перечисленных выше методов лазерной диагностики. Нужно подчеркнуть, что точность решения обратной задачи рассеяния напрямую зависит от степени монохроматичности и качества поляризации зондирующего излучения, поэтому в измерениях МРС предпочтение отдается лазерным источникам.

Настоящая работа стремится восполнить имеющийся пробел не только в измерительной технике и экспериментальных данных, но и также в теоретическом моделировании светорассеяния системами, состоящими из большого количества стохастических реализаций кластеров дисперсных частиц. Предложенный в диссертации метод компьютерного моделирования матриц рассеяния для ансамблей стохастических кластеров сферических частиц может быть применен к определению параметров кластеров наночастиц в разнообразных коллоидных системах.

Проведенный анализ матриц рассеяния света образцов водных растворов NaCl позволил оценить фрактальную размерность бабстонно-кластерной фазы в этих образцах.

Цель диссертационной работы:

Экспериментальное исследование микроструктуры водных растворов электролитов методами лазерной диагностики. В диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Разработка методики измерения полной матрицы рассеяния и создание автоматизированного лазерного поляриметра-скаттерометра с высокой чувствительностью к рассеянному излучению для исследования образцов жидких сред.

2. Моделирование угловых зависимостей элементов МРС для стохастических ансамблей кластеров наночастиц.

3. Экспериментальное подтверждение существования и определение параметров нанопузырьковых (бабстонных) кластеров растворенного газа в объеме очищенных от твердых примесей растворов электролитов, а также изучение динамики бабстонной фазы в зависимости от концентрации растворенных ионов методами лазерного светорассеяния и фазовой микроскопии.

Научная новизна работы заключается в следующем 1. Найдены оптимальные схемы модуляторов поляризации, отвечающие балансу быстродействие-чувствительность. Для поляриметров модуляционного типа разработана оригинальная система цифровой обработки информативного сигнала.

2. Для исследований слаборассеивающих сред создан макет лазерного поляримера-скаттерометра, измеряющего все 16 элементов МРС на основе оптической схемы, включающей электрооптический модулятор и четвертьволновые пластины с целью широкоапертурного приема рассеянного света.

3. Показано, что одновременное использование нескольких взаимодополняющих методов лазерной диагностики (лазерной интерференционной фазовой микроскопии, динамического рассеяния света и лазерной поляризационной скаттерометрии) позволяет эффективно извлекать информацию о кластерах наночастиц.

4. Впервые измерены угловые зависимости матриц рассеяния глубоко очищенной (дистиллированной) воды и водных растворов электролитов.

В водных ионных растворах обнаружены спонтанно образующиеся долгоживущие частицы микронного и субмикронного масштаба. Показано, что угловое поведение МРС соответствует рассеянию на кластерах, состоящих из газовых нанопузырьков.

5. Впервые получены фазовые изображения отдельных бабстонов и бабстонных кластеров, а также определен их средний показатель преломления в концентрированных водных растворах NaCl.

6. Предложен метод поиска частных решений обратной задачи светорассеяния, основанный на аппроксимации экспериментальных угловых зависимостей элементов матрицы рассеяния теоретическими кривыми, рассчитанными для стохастических ансамблей кластеров сферических 7. Рассчитаны статистические характеристики нанопузырьковых кластеров, образованных по иерархическому алгоритму агрегации типа «кластеркластер», которые соответствуют наблюдаемым в эксперименте матрицам рассеяния водных растворов электролитов.

Практическая ценность работы Разработанный в диссертации автоматизированный макет лазерного модуляционного поляриметра-скаттерометра дает возможность измерения всех 16 элементов МРС на базе гониометрической схемы детектирования рассеянного излучения.

Создана компьютерная система цифровой обработки информативного сигнала поляриметра-скаттерометра, которая обеспечивает максимальное быстродействие при заданных частотах модуляции электрооптических модуляторов и тактовой частоте АЦП.

Предложенные подходы к анализу структуры нанопузырьковых кластеров могут применяться для диагностики произвольных кластеров наночастиц.

Полученные данные о параметрах бабстонной фазы могут быть использованы в биомедицинских и фармакологических исследованиях, а также при разработке перспективных теплоносителей для энергетических установок.

Положения, выносимые на защиту:

1. В воде и водных растворах электролитов лазерными методами может быть обнаружена и количественно охарактеризована бабстоннокластерная микрофаза.

2. В водных растворах электролитов можно визуализировать одиночные бабстоны методом лазерной фазовой микроскопии.

3. В водных растворах электролитов радиус одиночного бабстона зависит от концентрации ионов.

4. Измерение угловых зависимостей матрицы оптического рассеяния позволяет отличить ансамбли одиночных газовых пузырьков от кластерных Апробация работы. Научные результаты, полученные в диссертации, докладывались на международной конференции «7th Liquid Matter Conference» (Lund, Sweden) в 2008г., на международной конференции «Комбинационное рассеяние лет исследований» (Москва, ФИАН) в 2008 г., на IX международном форуме «Высокие технологии XXI века» (Москва ЦВК «Экспоцентр») в 2008 г., на международной конференции Fourth Annual Conference on the Physics, Chemistry and Biology of Water (West Dover, Vermont, USA) в 2009г., на международной конференции International conference Laser Applications in Life Sciences LALS- (Oulu, Finland) в 2010 г., на II Международной научной конференции «Наноструктурные материалы – 2010: Беларусь–Россия–Украина» (Киев, Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины) в 2010 г., на международной конференции 18th Symposium on Thermophysical Properties (Boulder, Colorado, USA) в 2012 г. на международной конференции Aqua Incognita Galileo 400 years on (Florence, Italy) в 2013 г., а также на научных семинарах Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, на научнотехническом семинаре кафедры № 37 «Лазерная физика» НИЯУ «МИФИ».

Отдельные этапы работ поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (гранты 06-0216507-а, 08-02-90252-Узб_а и 10-2-00377-A).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 14 работах, опубликованных в 2008-2013 годах в отечественных и зарубежных научных журналах и сборниках научных трудов. Из них 12 научных статей в рецензируемых изданиях по списку, рекомендованному ВАК, и одна глава в монографии.

Личный вклад автора. Цель работы и методы исследования были сформулированы научным руководителем работы при участии автора диссертации и соавторов публикаций. Личный вклад автора состоял в разработке экспериментальной методики измерения МРС, сборке и наладке лабораторного макета поляриметра-скаттерометра, проведении экспериментов по динамическое рассеянию света, лазерной фазовой микроскопии и поляризационной скаттерометрии, а также анализе экспериментальных данных на основе численного моделирования угловых профилей МРС кластерных ансамблей, в выработке подхода к поиску частных решений обратной задачи светорассеяния. Все научные результаты получены лично автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, разбитых на параграфы. Объем диссертации 118 страниц, включая 48 рисунков и список литературы из 121 наименования.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость выбранного направления исследований, сделан обзор литературы по применению методов лазерной диагностики для получения информации о параметрах различных физических объектов, в первую очередь, дисперсных (коллоидных) систем. Обсуждена методика определения микрофизических параметров дисперсной фазы, основанная на анализе угловых зависимостей элементов МРС. Приведены литературные данные, отражающие современное состояние рассматриваемой проблемы. Кратко описано содержание глав работы.

В первой главе приведены основные сведения о свойствах матрицы рассеяния света, дан сравнительный анализ оптических схем поляриметров, предназначенных для измерения элементов МРС.

В п. 1.1. кратко изложены основы матричной оптики, используемые для описания состояния поляризации света и его преобразования оптическими элементами.

В п. 1.2. обсуждены принципы построения оптических схем поляриметров, измеряющих элементы МРС.

В п. 1.3. проведен сравнительный анализ схем модуляторовпреобразователей поляризации света, используемых в составе поляриметров.

Вторая глава посвящена теоретическому моделированию угловых зависимостей элементов матрицы рассеяния для ансамблей кластеров наночастиц. Выведены общие закономерности углового поведения матричных элементов таких ансамблей. Найдены характерные отличия в матричных элементах рассеивателей кластерного типа по отношению к монолитным частицам.

П. 2.1. содержит сведения об общем виде матриц рассеяния дисперсных систем.

В п.2.2 предложена иерархическая модель роста фрактальных кластеров сферических частиц, учитывающая кластер–кластерную агрегацию. В этой модели кластер–кластерной агрегации средняя фрактальная размерность генерируемых ансамблей кластеров сферических частиц Df имеет монотонную зависимость от параметра модели, определяющего вероятность Р участия кластера в акте коагуляции как степенную функцию объема V кластера P=CV, где C - размерная константа. Этот параметр дает возможность влиять на форму теоретической индикатрисы рассеяния и равномерно приближать её к экспериментальным точкам в заданном интервале углов рассеяния.

В п. 2.3 представлены результаты численного моделирования элементов МРС для ансамблей кластеров сферических наночастиц в зависимости от средней по ансамблю фрактальной размерности для логнормального и экспоненциального распределений кластеров по числу мономерных частиц. Сформулированы основные свойства углового поведения матричных элементов кластерных ансамблей.

Третья глава посвящена описанию экспериментальных методик для исследования микроструктуры жидкостных образцов.

В п. 3.1. описана предложенная в диссертации оптическая схема лазерного поляриметра-скаттерометра для измерения полной матрицы рассеяния жидких сред как функции угла рассеяния. Данная схема, предназначенная для детектирования слабых сигналов рассеяния, сочетает электрооптический модулятор и две поворотные четвертьволновые пластины (рис.1).

Рис. 1. Схема модуляционного лазерного поляриметра. (Ch) прерыватель луча; (OP) оптрон; (P1, P2) линейные поляризаторы; (OEM) электрооптический модулятор; (AO) генератор низкой частоты; (QW1, QW2) четвертьволновые пластины; (D1) ирисовая диафрагма; (C) кювета с исследуемым образцом жидкости; (D2) круглая диафрагма; (D3) щелевая диафрагма; (PEM) Фотоэлектронный умножитель; (ADC) аналого-цифровой преобразователь; (PC) персональный компьютер.

В п. 3.2. описан принцип действия лазерного фазово-модуляционного интерференционного микроскопа. В интерференционном канале микроскопа, где измеряется распределение оптической разности хода между объектным и опорным лучами в плоскости, поперечной оптическому пучку, был использован полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нм и микро-объективы с числовой апертурой 0.45 и 0.9 (увеличение 20х и 100х, соответственно).

В п. 3.3 изложены основы метода динамического рассеяния света и приведена схема экспериментальной установки для фотонной корреляционной спектроскопии.

В обеих установках по светорассеянию (поляризационному и динамическому) в качестве источника света было использовано излучение второй гармоники непрерывного YAG:Nd3+ лазера с длиной волны 532 нм.

В четвертой главе диссертации с помощью трех независимых методов лазерной диагностики, описанных в главе 3, изучена естественная гетерогенность ионных водных растворов, насыщенных растворенным газом. Экспериментально проверено существование в водных растворах кластеров ионностабилизированных нанопузырьков (бабстонов) и определены их параметры.

В п. 4.1. изложены физические предпосылки образования бабстонов в водной среде, содержащей ионную компоненту. Дается краткий обзор современных работ по исследованию бабстонной фазы. Обсуждается роль бабстонов и их кластеров в физико-химических и биологических процессах.

В п. 4.2 приведены результаты калибровки экспериментальных установок по монодисперсной суспензии кварца и суспензиям полистирольного латекса с различной дисперсностью.

В п. 4.3 представлены результаты экспериментальных исследований очищенных от твердотельных примесей образцов дистиллированной воды и водных растворов NaCl На рис.2 показана фотография макрочастиц, спонтанно возникших в водном растворе NaCl при нормальных условиях, в белом свете микроскопа и распределение оптической разности хода для одной из этих частиц, полученные при использовании микрообъектива с числовой апертурой 0.45. Эти частицы, имеющие размеры от ~ 0.1 до ~ 1 мкм, слабо различимы на фотографии (рис.2а), т.к. четкая межфазная граница практически отсутствует.

Сопоставление профилей оптической разности хода для обнаруженных в водном растворе NaCl газовых образований (разность хода отрицательна) и монодисперсных частиц кварца с известным показателем преломления n = 1.46 (разность хода положительна), позволило оценить их эффективный показатель преломления n = 1.28 при эффективном радиусе 1 мкм. Такое значение показателя преломления говорит о том, что данные образования не могут быть сплошными пузырьками, а должны содержать внутри себя прослойки воды. Отсюда следует предположение, что такого рода макрочастицы представляют собой кластеры из нанопузырьков.

Возникает вопрос: можно ли зафиксировать с помощью данного микроскопа отдельный бабстон? Если считать, что обнаруженные в 1 М растворе NaCl частицы (рис.2) - бабстонные кластеры, то размер самого бабстона не может превышать величины ~100 нм.

Рис. 2. Частицы, спонтанно возникшие в водном растворе NaCl с концентрацией 1М в белом свете микроскопа (а), и 2D-профили оптической разности хода для одной из таких частиц (б) полученные при использовании микрообъектива с числовой апертурой 0.45.

Это означает, что бабстоны такого размера, находящиеся в объеме образца, будут совершать броуновское движение со средней скоростью, которая превышает быстродействие интерференционного канала микроскопа.

Т.о., получить фазовый портрет отдельного бабстона, позволяющий определить его размер и показатель преломления, можно только если бабстон неподвижен. Нами был поставлен эксперимент с образцом 1М водного раствора NaCl толщиной 30 мкм при использовании объектива с числовой апертурой 0.9, что обеспечивало почти максимальное достижимое на практике разрешение для объективов без иммерсии. Вблизи покровного стекла удалось получить изображения неподвижных структур с разветвленной морфологией, оптическая разность хода для которых оказалась меньше, чем для воды (рис.3). Отметим, что такая морфология характерна для агрегации типа "кластер-кластер". Соответствующее распределение оптической разности хода в кадре 7.5х7.5 мкм2 показано на рис.3б.

Как видно на рис.3б, интеферограмма предоставляет большее разрешение, чем картина (рис.3а), полученная в белом свете. На этой интерферограмме наряду с кластерными структурами можно различить и отдельные нанопузырьки.

Пример распределение оптической разности хода на таком нанопузырьке показан на рис.4. Анализ фазовых профилей отдельных нанопузырьков позволяет утверждать, что все нанопузырьки в 1М водном растворе NaCl с хорошей точностью имеют один и тот же размер, приблизительно равный 150 нм. Необходимо иметь в виду, что реальный профиль уширен за счет дифракции, т.е. истинный размер нанопузырька несколько меньше. Оценка показателя преломления такого нанопузырька дает значение n 1, которое отвечает сплошной сферической газовой частице, в то время как средний показатель преломления более крупных структур 1 n 1.33. Следовательно, нанопузырьки с размером ~150 нм можно рассматривать как наименьшие сферические частицы, спонтанно образующиеся в 1М водном растворе NaCl, в результате агрегации которых получаются кластеры с широким спектром размеров, соответствующих различному числу мономерных нанопузырьков в их составе.

Рис. 3. Фотография частиц, спонтанно возникших в водном растворе NaCl с концентрацией 1М вблизи поверхности покровного стекла, в белом свете микроскопа (а) и 2Dраспределение оптической разности хода участка размером 7.5х7.5 мкм2, выделенного рамкой на рис (а), которое получено при использовании микрообъектива с числовой апертурой 0.9 (б).

Рис. 4. Двумерное распределение оптической разности хода нанопузырька в водном растворе NaCl с концентрацией 1М вблизи поверхности покровного стекла (а) и его профиль вдоль оси Y (б), полученные при использовании микрообъектива с числовой апертурой 0.9.

Чтобы выяснить, действительно ли в объеме солевых растворов спонтанно возникают газовые нанопузырьки, был проведен эксперимент по динамическому рассеянию света (ДРС). Нормированная корреляционная функция интенсивности света, рассеянного на угол = 45°, g(2)( ) = GI( )/ I 2 (где GI( ) = I(t)I(t+ ) ) для образца водного 1М раствора NaCl показана на рис.5.

Рис.5. Временная корреляционная функции интенсивности света, рассеянного под углом = 45°, для водного 1М раствора NaCl.

Анализ нормированной корреляционной функции электрического поля рассеянной волны g(1)( ), которая связана с g(2)( ) соотношением Зигерта g(1)( ) = g (2) ( ) 1, дает гистограмму распределения интенсивности рассеянного света по размерам частиц (Рис.6). В этом распределении видна достаточно широкая компонента в области десятков нанометров до нескольких микрон. Эксперименты по ДРС также показали, что параметры этой компоненты зависят от концентрации растворенной соли и содержания растворенного газа.

Рис.6. Гистограмма распределения интенсивности рассеянного света, рассеянного на угол = 45°, по размерам частиц внутри образца водного 1М раствора NaCl.

Чтобы ответить на вопрос о внутренней структуре частиц, обнаруженных в водных растворах NaCl, были измерены угловые зависимости элементов матрицы рассеяния света.

В п. 4.4 предложен подход к решению обратной задачи восстановления параметров кластерной структуры дисперсной фазы, который основан на аппроксимации угловых зависимостей матрицы рассеяния теоретическими кривыми, вычисленными при усреднении по ансамблю стохастических кластеров сферических частиц. Исходя из теории [3] и данных фазовой микроскопии, распределение бабстонов по размерам считалось монодисперсным. Распределение кластеров по числу составляющих их бабстонов моделировалось экспонентами вида p( ) ~ e a, ( 1, a 0). На рис.7 показаны экспериментально измеренные угловые зависимости элементов матрицы рассеяния для водного1М раствора NaCl и соответствующие им результаты численного моделирования.

Рис.7. Угловые зависимости элементов матрицы рассеяния для ансамблей нанопузырьковых кластеров с параметрами = 400, R= 60 нм, = 1.5, Df = 2.5 (серый цвет) = 300, R = 80 нм, = 1.4, Df = 2.47 (пунктирные), = 200, R = 100 нм, = 1.3, Df = 2.43 (штриховые), = 100, R = 120 нм = 1.2, Df = 2. (штрих-пунктирные). Рассеяние рэлеевскими частицами показано черным цветом. Экспериментальные зависимости для водного раствора NaCl (1 М) показаны кружками На рис.8 изображен пример стохастической компьютерной реализации бабстонного кластера иерархического типа с параметрами = 400, Rb = 100 нм, = 1.3, которые соответствуют одному из найденных частных решений обратной задачи рассеяния (рис.7). Фрактальная размерность этого кластера Df = 2. Рис.8. Взаимно перпендикулярные проекции стохастической реализации бабстонного кластера иерархического типа с параметрами = 400, Rb = 100 нм, Df = 2.45.

Отметим, что ветви кластера на рис.8 имеют морфологию, достаточно близкую к образованиям кластерного типа, которые наблюдались в фазовом микроскопе (рис.3). Именно, обнаруженные в водном 1М растворе NaCl бабстонные кластеры обладают фрактальной структурой, подобной изображенной на рис.8.

П. 4.5 содержит выводы, где сформулированы основные результаты главы.

Было установлено, что в водном 1М растворе NaCl среднее число бабстонов в одном кластере составляет ~100; радиус бабстонов Rb 100 нм и средняя фрактальная размерность кластеров Df = 2.4. В экспериментах с суспензиями калибровочных частиц, в водном 1М растворе NaCl была оценена концентрация бабстонных кластеров, равная 4105 см-3.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан и создан автоматизированный лазерный поляриметрскаттерометр модуляционного типа для измерения элементов матрицы рассеяния света (МРС) на длине волны 532 нм как функций угла рассеяния в жидких средах.

2. Путем численных экспериментов найдены характерные свойства угловых зависимостей МРС кластерных ансамблей из сферических наночастиц.

3. В экспериментах по динамическому рассеянию света в водных растворах NaCl обнаружены спонтанно образующиеся частицы с размерами в диапазоне от десятков нм до нескольких микрон. Эксперименты по лазерной фазово-модуляционной микроскопии также показали присутствие в этих растворах долгоживущих частиц микронного и субмикронного масштаба с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления воды.

Среди этих частиц удалось различить одиночные нанопузырьки.

4. Впервые измерены угловые зависимости МРС на длине волны 532 нм в очищенных от твердотельных примесей образцах дистиллированной воды и водных растворов NaCl.

5. Предложен подход к поиску частных решений обратной задачи светорассеяния, который основан на аппроксимации экспериментальных угловых зависимостей элементов МРС теоретическими кривыми, рассчитанными для стохастических систем кластеров сферических частиц.

6. Показано, что угловое поведение МРС в водных растворах электролитов может быть интерпретировано как рассеяние на кластерах, состоящих из ионно-стабилизированных газовых нанопузырьков (бабстонов). Найдены значения радиуса бабстонов и среднего числа бабстонов в кластере, а также средней фрактальной размерности бабстонных кластеров в водных растворах NaCl.

7. Получены экспериментальные зависимости радиуса одиночных бабстонов и коэффициента экстинкции, соответствующего рассеянию на бабстонных кластерах, от молярной концентрации растворенных ионов для водных растворов NaCl. Для радиуса бабстонов зависимость оказалась монотонно возрастающей при увеличении концентрации соли.

Публикации по теме диссертации.

1. Bunkin N.F., Suyazov N.V., Shkirin A.V., Ignatiev P.S., Indukaev K.V. Study of nanostructure of highly purified water by measuring the scattering matrix elements of laser radiation // Physics of Wave Phenomena. - 2008.- V.16, № 4.- P. 243 Bunkin N.F., Suyazov N.V., Shkirin A.V., Ignatiev P.S., Indukaev K.V. Nanoscale structure of dissolved air bubbles in water as studied by measuring the elements of the scattering matrix // J. Chem. Phys.- 2009.- V.130, Issue 13, Art. 134308.- 12 p.

3. Бункин Н.Ф., Суязов Н.В., Шкирин А.В., Игнатьев П.С., Индукаев К.В. Определение микроструктуры газовых пузырьков в глубоко очищенной воде по измерениям элементов матрицы рассеяния лазерного излучения // Квантовая Электроника. - 2009.- Т. 39, № 9. - c. 367-381.

4. Н.Ф. Бункин, П.С. Игнатьев, К.В. Индукаев, Н.В. Суязов, А.В. Шкирин, Кластерная структура стабильных нанопузырей растворенного газа в глубоко очищенной воде // ЖЭТФ.- 2009.-Т. 135, №5, с. 917- 5. N.F. Bunkin, A.V. Shkirin, V.A. Kozlov, A.V. Starosvetskiy, Laser scattering in water and aqueous solutions of salts // Proc. SPIE Vol. 7376, 73761D, 6. Bunkin N.F., Ninham B.W., Ignatiev P.S., Kozlov V.A., Shkirin A.V. and Starosvetskij A.V., Long-living nanobubbles of dissolved gas in aqueous solutions of salts and erythrocyte suspensions // Journal of Biophotonics.- 2011, V. 4, № 3, P.

7. N.F. Bunkin, S.O. Yurchenko, N.V. Suyazov, A.V. Starosvetskiy, A.V. Shkirin, V.A. Kozlov, Modeling the cluster structure of dissolved air nanobubbles in liquid media // Mathematics Research Developments. Classification and Application of Fractals, Nova Science Publishers, Eds: W. L. Hagen, P. 3-52, 2011.

8. Н.Ф. Бункин, А.В. Шкирин, В.А. Козлов, А.В. Старосветский, П.С. Игнатьев, Квазистабильные кластеры нанопузырьков растворённого газа в воде и водных растворах электролитов // Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии, 2011, Т. 9, № 2, С. 499 – 9. N.F. Bunkin, S.O. Yurchenko, N.V. Suyazov, A.V. Shkirin, Structure of the nanobubble clusters of dissolved air in liquid media // J. Biol. Phys. – 2012, V. 38, P.

121–152.

10. N.F. Bunkin, A.V. Shkirin, P.S. Ignatiev, L.L. Chaikov, I.S. Burkhanov, A.V.Starosvetskiy Nanobubble clusters of dissolved gas in aqueous solutions of electrolyte. I. Experimental proof // J. Chem. Phys. – 2012, V.137, 054706.

11. N.F. Bunkin, A.V. Shkirin, Nanobubble clusters of dissolved gas in aqueous solutions of electrolyte. II. Theoretical interpretation // J. Chem. Phys. – 2012, V.137, 12. N.F. Bunkin, A.V. Shkirin, and V.A. Kozlov, Cluster Structure of Dissolved Gas Nanobubbles in Ionic Aqueous Solutions // J. Chem. Eng. Data. – 2012, V. 57, N 10, P. 2823-2831.

13. N.F. Bunkin, A.V. Shkirin, N.V. Suyazov, A.V. Starosvetskiy, Calculations of Light Scattering Matrices for Stochastic Ensembles of Nanosphere Clusters // J. of Quant. Spectr. & Rad. Trans., 2013, V. 123, Р. 23–29.

14. Н.Ф. Бункин, А.В. Шкирин, Исследование бабстонно-кластерной структуры воды и водных растворов электролитов методами лазерной диагностики // Труды ИОФАН, Т. 69, 2013, С. 46-100.

Цитированная в автореферате литература 1. Бункин Ф.В., Бункин Н.Ф. Бабстоны: стабильные микроскопические газовые пузыри в слабых растворах электролитов // ЖЭТФ, 1992, т.101, вып. 2, С.

512-527.

2. Бункин Н.Ф., Бункин Ф.В. Экранировка сильнозаряженных макрочастиц в жидких растворах электролитов // ЖЭТФ, 2003, Т. 123, С. 828-845.

3. Bunkin N. F., Bunkin F. V. Bubston Structure of Water and Aqueous Solutions of Electrolytes // Physics of Wave Phenomena, 2013, Vol. 21, No. 2, Р. 81– 4. F. Y. Ushikubo, T. Furukawa, R. Nakagawa, M. Enari, Y. Makino, Y. Kawagoe, T. Shiinab, S. Oshita, Evidence of the existence and the stability of nano-bubbles in water // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2010, V. 361, 5. M.I. Mishchenko, L.D. Travis, and A.A. Lacis, Scattering, Absorption, and Emission of Light by Small Particles. Cambridge University Press, Cambridge, 2002.

6. Y.-L. Xu, R.T. Wang, Electromagnetic scattering by an aggregate of spheres:

Theoretical and experimental study of the amplitude scattering matrix // Phys. Rev.

E, 1998, V. 58, P. 3931-3948.

7. H. Kimura, Light-scattering properties of fractal aggregates: numerical calculations by a superposition technique and the discrete-dipole approximation // J. of Quant. Spectr. & Rad. Trans., 2001, V. 70, P. 581-594.

8. C. Klusek, S. Manickavasagam, M.P. Menguc, Compendium of scattering matriх element profiles for soot agglomerates // J. of Quant. Spectr. & Rad. Trans., 2003, V. 79–80, P. 839–859.

9. Liu L., Mishchenko M.I. Effects of aggregation on scattering and radiative properties of soot aerosols // J Geophys Res., 2005, V. 110, D 10. Жюльен Р. Фрактальные агрегаты // УФН, 1989, Т. 157, Вып. 2, С. 339-357.

11. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. – М.: Наука, 1991.



 
Похожие работы:

«ГОЛЫШЕВ АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ 01.04.17 – Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Черноголовка 2008 Работа выполнена в Институте проблем химической физики РАН. Научный руководитель : доктор физико-математических наук, Молодец Александр Михайлович Официальные оппоненты :...»

«НЕМЫТОВ Петр Иванович СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ СЕРИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ С МОЩНОСТЬЮ ВЫВЕДЕННОГО ПУЧКА СОТНИ КИЛОВАТТ 01.04.20 – физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук НОВОСИБИРСК - 2010 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН. НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: КУКСАНОВ – доктор...»

«СМИРНОВ Сергей Сергеевич АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ В МАГНЕТИКАХ С ОРИЕНТАЦИОННЫМИ ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ 01.04.11 – физика магнитных явлений АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Тверь – 2007 Работа выполнена на кафедре магнетизма Тверского государственного университета. Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Пастушенков Ю.Г. Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, доцент...»

«Бобылёв Юрий Владимирович АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В НЕЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ Специальность 01.04.08 – физика плазмы Автореферат диссертация на соискание учёной степени доктора физико–математических наук Москва – 2007 Работа выполнена на физическом факультете Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого Научный консультант : доктор физико-математических наук, профессор Кузелев Михаил Викторович Официальные оппоненты : член...»

«Рыскина Лилия Леонидовна ПРИМЕНЕНИЕ БРСТ-БФВ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЛАГРАНЖЕВОЙ ФОРМУЛИРОВКИ В ТЕОРИИ МАССИВНЫХ ФЕРМИОННЫХ ПОЛЕЙ ВЫСШИХ СПИНОВ И ТЕОРИИ АНТИСИММЕТРИЧНЫХ БОЗОННЫХ И ФЕРМИОННЫХ ПОЛЕЙ. 01.04.02 Теоретическая физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск – 2010 Работа выполнена на кафедре теоретической физики ГОУ ВПО Томский государственный педагогический университет Научный руководитель : доктор...»

«СОЛДАТОВ Михаил Александрович ПРИМЕНЕНИЕ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ АТОМНОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУР ВОДНЫХ РАСТВОРОВ АЦЕТОНИТРИЛА И ИОНОВ КОБАЛЬТА, МАЛЫХ НАНОКЛАСТЕРОВ ПАЛЛАДИЯ И ДИГИДРОКСИ 2,2’-ДИПИРИДИНА ЗОЛОТА Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Ростов-на-Дону - 2012 Актуальность темы Научный прогресс последних десятилетий предлагает всё...»

«НИРОВ Хазретали Сефович КЛАССИФИКАЦИЯ, СИММЕТРИИ И РЕШЕНИЯ ТОДОВСКИХ СИСТЕМ Специальность: 01.04.02 теоретическая физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва 2009 год Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук профессор А. К. Погребков доктор физико-математических наук профессор Г. П. Пронько доктор...»

«КАРИМУЛЛИН Камиль Равкатович ДИНАМИКА ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ПРИМЕСНЫХ ЦЕНТРОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И АМОРФНЫХ МАТРИЦАХ: ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДАМИ КОГЕРЕНТНОГО И НЕКОГЕРЕНТНОГО ФОТОННОГО ЭХА 01.04.05 – оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук КАЗАНЬ – 2009 2 Работа выполнена на кафедре оптики и нанофотоники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Казанский государственный университет им....»

«БАЖИН ПАВЕЛ МИХАЙЛОВИЧ СВС-ЭКСТРУЗИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ Специальность 01.04.17 – химическая физика, в том числе физика горения и взрыва АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Черноголовка – 2009 Диссертация выполнена в Учреждении российской академии наук Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Научный руководитель доктор физико-математических наук,...»

«Харламова Светлана Александровна СИНТЕЗ, СТРУКТУРА, МАГНИТНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ГАЛЛО- ФЕРРОБОРАТОВ СО СТРУКТУРОЙ ХАНТИТА 01.04.07 – физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени Кандидата физико-математических наук Красноярск 2004 Работа выполнена в Институте Физики им. Л. В. Киренского СО РАН Научные руководители: доктор физ. – мат. наук, профессор С.Г. Овчинников кандидат физ. – мат. наук, доцент Л.Н. Безматерных...»

«БУСУРИН Сергей Михайлович САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ ФЕРРИТОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ Специальность 01.04.17 – химическая физика, в том числе физика горения и взрыва Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Черноголовка – 2007 Работа выполнена в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской...»

«Видьма Константин Викторович Исследование механизма УФ фотофрагментации Ван-дер-Ваальсовых димеров (CH3I)2 и (HI)2, а также Ван-дер-Ваальсовых комплексов O2-Х (Х=CH3I, С3H6, C6H12, Хе) 01.04.17 – химическая физика, в том числе физика горения и взрыва АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Новосибирск, 2006 Работа выполнена в Институте...»

«Белов Кирилл Иванович ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВСКИПАНИЯ НЕДОГРЕТОЙ ВОДЫ НА ПЕРЕГРЕТЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ Специальность 01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва – 2010 Работа выполнена в Объединенном институте высоких температур Российской Академии Наук Научный руководитель : канд. техн. наук, с.н.с. Ивочкин Юрий Петрович Научный консультант : докт. техн. наук, с.н.с. Зейгарник...»

«Ушакова Елена Владимировна ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ ФОТОВОЗБУЖДЕНИЙ В КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ ХАЛЬКОГЕНИДОВ КАДМИЯ И СВИНЦА Специальность: 01.04.05 – Оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург – 2012 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и...»

«Чижов Юрий Владимирович МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ И РАСЧЕТЫ МЕТОДОМ ТЕОРИИ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ -КОМПЛЕКСОВ ХРОМА И ЖЕЛЕЗА Специальность 01.04.17 – химическая физика, в том числе физика горения и взрыва АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Уфа – 2009 Работа выполнена в Федеральном Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Санкт-Петербургский Государственный Университет...»

«НА ПРАВАХ РУКОПИСИ СМЕТАНИНА ЕВГЕНИЯ ОЛЕГОВНА СВЕТОВЫЕ ПУЛИ И СПЕКТР ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ФИЛАМЕНТАЦИИ В ПЛАВЛЕНОМ КВАРЦЕ Специальность 01.04.21 – лазерная физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2014 Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Научный руководитель: доктор физико-математических наук,...»

«САВИНКОВ Андрей Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ЯМР/ЯКР НЕОДНОРОДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДОВ И СПИНОВ В ПЛОСКОСТИ CuO2 КУПРАТНЫХ ОКСИДОВ ТИПА 123 Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань Работа выполнена на кафедре...»

«ХОМЕНКО АНТОН СЕРГЕЕВИЧ ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ В ЛАЗЕРНОПРОДУЦИРОВАННЫХ МИКРОКАНАЛАХ В СПЛОШНЫХ И СТРУКТУРНОНЕОДНОРОДНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Специальность 01.04.21 – лазерная физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва - 2010 Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В....»

«Шкляев Андриан Анатольевич ВЛИЯНИЕ КВАНТОВЫХ ФЛУКТУАЦИЙ НА ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ 2D МАГНЕТИКОВ И РЕАЛИЗАЦИЮ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ФАЗЫ АНСАМБЛЯ СПИНОВЫХ ПОЛЯРОНОВ Специальность 01.04.07 физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Красноярск 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН Научный руководитель : доктор...»

«ИЛЬИНА ИННА ВЯЧЕСЛАВОВНА ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ГИБРИДНЫМИ МЕТОДИКАМИ НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМОВ ЛОКАЛЬНОГО И ГЛОБАЛЬНОГО ПОИСКА Специальность 01.04.21 – лазерная физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2010 Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Научный...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.