Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время актуально исследование жидких дисперсных систем, частицы которых имеют размеры от нескольких единиц до нескольких тысяч нанометров. Такие системы обладают большой площадью межфазной границы, что придает им особые свойства, не типичные для фаз, входящих в систему. Свойства большинства таких систем невозможно описать без учета распределения частиц по размерам, формам, значениям анизотропии поляризуемости, магнитной восприимчивости и иных параметров частиц. Это делает актуальным разработку методов определения функций распределения частиц по их параметрам в дисперсных системах и использование этих функций при изучении свойств жидких дисперсных систем.
Детальное изучение свойств дисперсных систем возможно лишь при совместном использовании математических, физических и химических методов исследования. Электрооптические и магнитооптические методы исследования нанодисперсных систем позволяют широко варьировать тип и величину внешнего воздействия на систему и изучать наведенную им анизотропию как отклик системы на внешнее воздействие. Они дополняют друг друга и создают единый комплекс методов, что делает перспективным их развитие и использование при изучении сложных полидисперсных систем, частицы которых обладают взаимозависимыми параметрами.
Цели работы
Построение единого комплекса взаимосвязанных математических методов, позволяющих
проводить определение распределений частиц по размерам, значениям анизотропии поляризуемости и
магнитной восприимчивости с целью установления корреляции между этими параметрами частиц в
реальных дисперсных системах, в частности - экспериментальное установление корреляционных
зависимостей между значениями анизотропии поляризуемости и константами вращательной
диффузии частиц, входящих в ряд полидисперсных систем.
Использование этих зависимостей для выявления возможных агрегатов в дисперсных системах
и определения их геометрических параметров и анизотропии.
Разработка и создание автоматизированного экспериментального комплекса и его
использование для изучения электрооптических и магнитооптических свойств коллоидов и взвесей
нанотрубок, содержащих частицы с разными физическими и химическими свойствами.
Практическая значимость работы
Разработанные математические и экспериментальные методы и аппаратура позволяют проводить исследования и сертификацию широкого ряда дисперсных систем, представляющих интерес для науки и промышленности.
Научная новизна работы
Все основные результаты работы получены впервые. Комплексный анализ распределений частиц дисперсных систем по их параметрам, использующий электрические и магнитные поля различного типа и предложенные в работе методы обработки экспериментальных данных ранее не использованы. Электрооптические и магнитооптические исследования полидисперсных взвесей нанотрубок ранее не проводились.
Личный вклад автора
Получена система взаимосвязанных интегральных уравнений для определения функций распределения частиц дисперсной фазы по их электрическим, магнитным и геометрическим параметрам в коллоидах и суспензиях, включающих в себя данные электрооптических и магнитооптических измерений.
Разработан и апробирован на модельных функциях математический метод определения функций распределения частиц по их параметрам при решении интегральных уравнений Фредгольма первого рода, используемых в электрооптике и магнитооптике полидисперсных систем.
Разработан электрооптический метод, позволяющий исследовать полидисперсность
неустойчивых коллоидов, основанный на изучении релаксационных кривых наведенной оптической
анизотропии, создаваемой электрическими полями коротких импульсов высокой напряженности.
Разработаны и модернизированы экспериментальные установки для электрооптических и магнитооптических исследований полидисперсных систем.
Проведены исследования распределений частиц по размерам, значениям анизотропии поляризуемости и магнитной восприимчивости ряда коллоидов с частицами разной природы, а также ряда взвесей нанотрубок разной структуры.
На защиту выносятся следующие положения:
Новая методика проведения электрооптических исследований, связанных с определением и использованием функций распределения частиц по их параметрам, а также разработанная экспериментальная установка для ее реализации.
Новый метод численного решения интегральных уравнений Фредгольма I рода, описывающих электрооптические и магнитооптические эффекты в полидисперсных системах. Метод учитывает особенности ядер уравнений, что повышает устойчивость решений и связан с минимизацией функционала штрафных функций, контролирующего выполнение дополнительных условий, накладываемых на решение. Метод превосходит по точности и возможностям метод регуляризации, ранее использованный для решения задач электрооптики и магнитооптики.
3. Результаты электрооптических и магнитооптических исследований ряда водных
полидисперсных наносистем, включающих определение функции распределения частиц по размерам,
константам вращательной диффузии и значениям анизотропии электрической поляризуемости и
магнитной восприимчивости.
Результаты сопоставления функций распределения, полученных при электрооптических и магнитооптических исследованиях этих систем, которые подтверждают возможность проведения комплексных исследований, использующих электрооптические и магнитооптические методы изучения нанодисперсных систем.
Результаты электрооптических и магнитооптических исследований взвесей нанотрубок углерода и гидросиликатов металлов, которые показали, что наведенная в электрическом и магнитном поле оптическая анизотропия, в основном, определяется агрегатами нанотрубок и их деформацией, а не ориентацией в поле отдельных и невзаимодействующих между собой нанотрубок.
Апробация работы
Результаты работы были доложены на:
XXXII научной конференции студентов и аспирантов "Процессы управления и устойчивость", СП6ГУ,2001.
Международной конференции "Physics of Liquid Matter", Украина, Киев, 2001.
Международной конференции "Molecular order and mobility in polymer systems", Санкт-Петербург, 2002.
X Международной конференции по молекулярной и коллоидной электрооптике "ELOPTO-2003", Новый Орлеан, США, 2003.
5. Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-2003", Санкт-
Петербург, 2003.
6. Международной конференции "Устойчивость и процессы управления", Санкт-Петербург, 2005.
7. XI Международной конференции по коллоидной и молекулярной оптике "ELOPTO-2006",
Япония, Киото, 2006.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 статей, 11 из которых - в рецензируемых отечественных и зарубежных научных журналах и сборниках, тезисы докладов, сделанных на 5 научных конференциях.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, включающего 143 наименования.
