Введение к работе
\ктуалы1ость темы. Настоящая диссертация посвящена исследованию влияния далыюдействующнх поверхностных сил па равновесные и кинетические свойства приповерхностных слоев границы раздела жидкость - твердое тело.
Известно, что в сопряжетгых фазах частицы вещества в приповерхностном слое находятся в особом энергетическом и структурном состоянии. При этом в приграничных областях наблюдаются резкие скачки коїгцентрации компонентов (адсорбция), формируются области нескомпенсировашюго электрического заряда (двойной электрический слой), происходит перенос заряда через границу раздела (электродные реакции) и т.д. Именно процессы, протекающие на границе раздела фаз, лежат в основе физических принципов работы широкого класса приборов молекулярной электроники. В частности, явления возникновения потенциала и тока течения в тонких капиллярах, заполненных диэлектрической жидкостью, используются в электрокинетических преобразователях параметров движения и волновых полей, а свойства межфазиой границы полимерный ионообменняк - газ положены в основу чувствительного элемента молеку-лярно-электронных датчиков влажности воздуха.
В то же время, решение задач оптимизации параметров, преобразователей, компенсации температурной зависимости их выходных характеристик, ответственных за преобразование внешнего воздействия в электрический сигнал, требуют выхода за рамки традиционного термодинамического подхода к описанию поверхности как двумерной структуры, принятого начиная с классических работ ДлсГиббса. С одной стороны, это обусловлено ограниченностью термодинамического подхода, не отражающего роли микроскопических характеристик поверхности, таких как молекулярная структура и тип межчастичного взаимодействия. С другой стороны, становится ясным, что необходимо рассматривать приповерхностную область фактически как трехмерный объект с сильной зависимостью параметров в направлении, нормальном к границе раздела. Последнее обстоятельство особенно ніжно в ечіотемах с сильно развитой поверхностью, со-
держащих растворы электролитов: тонких капиллярах, набухающих пористых ионообменных мембранах и т.д. Здесь дальнодействующий характер сил, типичный для систем, включающих заряженные частицы, обеспечивает заметные изменения свойств среды на значительных расстояниях от геометрической границы раздела фаз, вплоть до перекрытия приповерхностных слоев с формированием систем, обладающих особыми свойствами. Перечисленные выше моменты и определяют актуальность выбранной темы исследований.
Цель диссертационной работы состояла в исследовании влияния молекулярного строения и электрических свойств поверхности твердого тела на формирование, состав- и структуру границы типа поверхность твердого тела - тонкая жидкая пленка, а также на перенос электрического заряда и вещества в таких системах.
Научная новизна заключается в следующем:
-
Исследовано влияние особенностей экранирования электрических полей вблизи неоднородной поляризуемой поверхности твердого тела на проводимость ионных растворов и электрокинетические явления в пористых структурах.—
-
На основании разработанной методики в рамках макро- и микроскопического подходов построена новая модель формирования многослойной адсорбированной пленки на поверхности диэлектриков различной природы. Данная модель доказывает принципиалыгую необходимость учета электростатического взаимодействия на границе раздела фаз, а также позволяет адекватно интерпретировать имеющиеся экспериментальные данные.
3. Теоретически обоснована возможность фазового перехода «тонкая
пленка - т^стая пленка» для системы ионообменный полимер - пары воды, обу
словленная особенностями экранирования электрического поля в тонких плен-
*СаХ. j становлень! значення ииризлетрси, «»^>« **^і«|^ї»їх процесс здсс^иЦ*!!! со
провождается фазовым переходом.
Практическая значимость. На базе разработанной теоретической модели адсорбции изготовлены и испытаны прототипы малогабаритного измерителя влажности воздуха с чувствительным элементом из влагопоглощающего ново-обменного полимера, позполяїощего осуществить высокоточные измерения в широком диапазоне изменения влажности и температури. Развитая количественная теория путем численных экспериментов позволила мшгуя стадию макетных испьггаїши разработать сопугствующую электронику к датчику влажности, обеспечивающую точность измерений не менее 1 %.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
1. IV Международный Фрумкинский Симпозиум «фундаментальные ас
пекты электрохимии», 21-23 августа 1993г., Москва. .
2. XXXVIII Научно-техническая конференция МФТИ 25-26 ноября 1994г.
З.ХХХГХ Научно-техническая конференция МФТИ 29-30 ноября 1996г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и
заключения, изложена на 100 стр. машинописного текста, содержит 13 рисунков. Библиография включает 83 наименований.
На защиту выносятся следующие положения:
-
При протекании жидкости в капиллярах с «ігулезьім зарядом» поверхности вблизи границ раздела фаз подвижность ионов возрастает и в тонкопористих системах стремится к подвижности изолированного заряда.
-
Пространственная пеодпородпость заряда поверхности существенно влияет на процессы переноса в мезо- и макропористых капиллярных системах, что выражается в уменьшении кинетических коэффициентов преооразовяния по сравнению с их значениями, в случае однородно заряженных капилляров.
-
Механизм полимолекуляриоя адсорбции па однородной noBq>xnociH диэлектрика обусловлен связью активности адсорбируемых молекул и величины адсорбции с зарядом двойного слоя. Получеагале с учетом этого механизма изотермы имеют асимптотику, соответствующую эксперименту.
4. Гозвитая теория фазового перехода первого рода типа тоикая-толстая пленка адсорбированного вещества, позволяет объяснить наблюдаемые скачкообразные участки на изотерме адсорбции паров воды ионообменными материалами. Полученные D данной модели аналитические зависимости ітроиодимости ионообменного полимера от относительной влажности воздуха адекватно объясняют экспериметллыгые данные в широком температурном диапазоне.
