Исследование динамики формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов

• Автор: Хижняк, Евгений Евгеньевич
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Пущино
• Количество страниц: 103 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Конвективно-диффузионные процессы
1.2 Физические условия возникновения конвекции
1.3 Теория теплового излучения
1.4 Термо-гравитационная и термо-капилляриая конвекция Марангони
1.5 Деформация слоя жидкости термо-капиллярным и концентрационнокапиллярным течением
1.6 Ячеистые макроструктуры, возникающие при конвекции воды
1.7 Особенности биологических эффектов электромагнитных излучений
миллиметрового диапазона длин волн
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Регистрация инфракрасного излучения в поверхностных слоях тонких растворов
2.2 Методы создания температурных градиентов с использованием
электромагнитных излучений мм-диапазона длин волн
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Исследование свойств воды в области контакта с гидрофильной поверхностью полимера Ка11оп
3.2 Особенности формирования термокластеров в зависимости от состава растворов и времени после их приготовления
3.3 Динамика распространения конвективно-диффузионного фронта
3.4 Роль конвективных процессов в механизмах биологических эффектов
миллиметровых излучений нетепловых интенсивностей
Выводы
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов формирования макроскопических, пространственно-упорядоченных температурных неоднородностей (термокластеров), спонтанно возникающих в пограничных слоях водных растворов. Основная проблема, определяющая важность данных исследований, состоит в том, что при проведении многих биофизических экспериментов и интерпретации их результатов, вода и водные растворы считаются макроскопически однородными, гомогенными системами. В последние годы была продемонстрирована возможность формирования макроскопических термоструктур в поверхностных слоях воды, что в корне меняет представления о пространственной независимости физико-химических процессов в жидких средах [34].
Достаточно подробно исследованы диссипативные структуры в жидких средах, обусловленные искусственно созданным вертикальным градиентом температуры (ячейки Бснара) [78], а так же - термоструктуры, которые формируются в поверхностных слоях воды за счет температурных градиентов при испарении жидкости с поверхности [34].
Однако процессы формирования термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов на сегодняшний день практически не изучены и механизм их формирования не ясен.
Сложность данной проблемы связана с тем, что при наличии температурных градиентов, обусловленных испарением, в водно-спиртовых растворах одновременно возникают концентрационные градиенты. Этанол по отношению к воде является поверхностно-активным веществом (ПАВ), поэтому при его контакте с водой могут возникать локальные изменения поверхностного натяжения, при этом адсорбированному на поверхности воды ПАВ достаточно создать тонкую пленку толщиной всего в одну молекулу (так называемый гиббсовский монослой). Процесс

распространения этанола по поверхности воды приводит к возникновению дополнительных горизонтальных температурных градиентов, обусловленных экзотермическим процессом при растворении этанола в воде. При таких условиях конвективные и диффузионные процессы неразрывно связаны друг с другом, поэтому они рассматриваются как конвективно-диффузионные.
Конвективные и диффузионные процессы играют важную роль в функционировании живых систем и могут оказывать существенное влияние на результаты биофизических экспериментов, которые проводятся в водных растворах в условиях in-vitro при возможности испарения с поверхностного слоя (в чашках Петри или па предметном стекле под микроскопом).
Механизмы формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов важны для понимания процессов зарождения предшественников живых клеток на границе океан-атмосфера. Современная гипотеза Твердислова В.Л. и Яковенко JI.B. основана па том, что при испарении воды в поверхностном слое возникает температурный градиент - «холодная пленка», в которой формируются диссипативные структуры, обусловленные взаимодействием конвективных и термодиффузионных потоков, приводящих к фракционированию ионов [55, 56].
Самопроизвольное перемещение термокластеров в какой-то степени эквивалентно процессу перемешивания в очень тонком поверхностном слое, что имеет важное значение для биотехнологии.
Параметры конвективно-диффузионных процессов в поверхностных слоях многокомпонентных водных растворов важны для разработки новых методов очистки водных поверхностей от органических загрязняющих веществ, что имеет важное экологическое значение.
Конвективно-диффузионные процессы играют важную роль в механизмах биологических эффектов электромагнитных излучений, в особенности -миллиметрового диапазона длин волн, поскольку излучения этого диапазона достаточно быстро поглощаются в биологических тканях, что приводит к
неоднородном бинарном растворе жидкости с горизонтальным градиентом концентрации ПАВ; 3) конвективное течение вокруг неподвижных пузырьков в растворах ПАВ с вертикальной стратификацией по концентрации. Описаны экспериментальные методики, позволившие избавиться от влияния побочных гравитационных эффектов, а также визуализировать структуру конвективных течений и полей концентрации в жидкости интерференционным методом. Обнаружено несколько новых явлений концентрационно-капиллярный дрейф пузырьков газа в направлении увеличения концентрации ПАВ, автоколебательные режимы концентрационной конвекции в вертикальном градиенте ПАВ, пороговый характер возникновения концентрационно-капиллярных течений на свободной поверхности.
1.5 Деформация слоя жидкости термо-капиллярным и концентрационно-капиллярным течением.
К настоящему времени достаточно подробно изучено возникновение термокапиллярных течений в тонких горизонтальных слоях жидкости со свободной верхней границей и продольным градиентом температуры. Полученные аналитические решения (например, [40, 53, 90, 102]) говорят о том, что условие постоянства давления на свободной поверхности такого слоя не может быть выполнено без изменения его толщины. При возникновении термокапиллярной конвекции происходит изменение нормальных напряжений, поэтому равновесная форма поверхности искривляется.
В [53] получено уравнение свободной поверхности в приближении,
аналогичном приближению пограничного слоя. Показано, что по мере
уменьшения толщины слоя деформация поверхности существенно возрастает
и становится сравнимой с ней по величине. Это подтверждается