Коллоидный журнал

В работе представлены результаты численного моделирования ячейки с ионоселективной областью в одномерной постановке. Математическая модель учитывает неидеальную селективность ионообменной области и наличие конвективного течения раствора электролита через неё. Было обнаружено, что течение может влиять на степень селективности ионообменной области, причём электрический ток через систему может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от того, какой токовый режим реализуется: допредельный или предельный. Понимание обнаруженного эффекта будет полезно в практических приложениях, таких как системы предварительного концентрирования аналита в микролабораториях для химического анализа биологических жидкостей или электробаромембранные системы разделения.

В работе представлены результаты теоретического исследования возникновения и развития электроконвекции около ионоселективной области при наличии однородного течения раствора электролита через эту область. Анализ линейной устойчивости стационарного решения позволил оценить зависимость критической разности электрических потенциалов, при которой возникает электрокинетическая неустойчивость, от интенсивности внешнего течения. Двумерное численное моделирование показало специфику нелинейных режимов электроконвекции. Исследование продемонстрировало, что наличие внешнего потока стабилизирует систему: электроконвекция начинается при больших значениях разности потенциалов, а её режимы при увеличении разности потенциалов сменяются быстрее. Понимание обнаруженных эффектов полезно в практических приложениях, таких как разработка систем предварительного концентрирования аналита в микролабораториях для химического анализа биологических жидкостей.

Проведено теоретическое исследование влияния релаксационных процессов в воде на интенсивность электромагнитного излучения осциллирующей заряженной капли воды, которая принимается вязкой и несжимаемой. Выведено теоретическое аналитическое выражение дисперсионного уравнения осциллирующей и излучающей капли, имеющей вид комплексного алгебраического выражения пятой степени.

Показано следующее: Эффект релаксации заряда в осциллирующей заряженной капле воды оказывает влияние на интенсивность электромагнитного излучения ею через посредство электропроводности воды. Наибольшая интенсивность электромагнитного излучения характерна для капли идеально проводящей жидкости, она на порядок величины выше интенсивности излучения капли жидкости с конечной проводимостью; наименьшая интенсивность излучения будет у капли диэлектрической жидкости с вмороженным зарядом. Эффект релаксации поверхностного натяжения влияет на электромагнитное излучение заряженной осциллирующей капли через посредство нарушения упорядоченности поверхностных молекул воды и изменения величины коэффициента поверхностного натяжения. Эффект релаксации вязкости воды не оказывает заметного влияния на затухающие капиллярные осцилляции и электромагнитное излучение облачных капель.

Выполнен теоретический анализ изменения температуры испаряющейся капли на супергидрофобной поверхности с учетом тепловых потоков различных типов. Полученные результаты показывают, что дополнительный охлаждающий эффект испарения может привести к существенному охлаждению и даже кристаллизации сидящих капель при положительных температурах. Однако с понижением температуры окружающей среды эффективность этого дополнительного охлаждения уменьшается. Предложен метод непрерывного контроля температуры испаряющейся капли на основе измеренных термодинамических параметров сидящих капель. Экспериментальные исследования, проведенные при температурах чуть выше и ниже нуля градусов Цельсия, продемонстрировали удовлетворительную корреляцию между результатами теоретического анализа и экспериментально измеренным переохлаждением капель воды. Обсуждается, что одной из ключевых причин отклонения расчетных и экспериментальных значений переохлаждения является отклонение формы капли от сферической.

Рассмотрена молекулярно-термодинамическая модель образования и роста неионных агрегатов из молекул ПАВ в неполярном растворителе при отсутствии воды, допускающая флуктуационное сосуществование мицелл различной формы без активационных барьеров между ними. Работа агрегации мицелл выводится для раствора C12E4 в гептане с использованием данных молекулярной динамики. В рассматриваемой модели для любых чисел агрегации минимальная работа агрегации зависит не только от чисел агрегации и концентрации мономеров ПАВ, но и от двух независимых параметров формы, характеризующих отклонение от сферической формы агрегата. Такой подход обеспечивает единообразное описание как дисковых, так и цилиндрических мицелл.

Предложено новое аналитическое решение линеаризованных уравнений Навье–Стокса и уравнения диффузии, которое позволяет связать интенсивность потока Марангони с градиентом поверхностного натяжения в капле бинарного растворителя и исследовать связанный с этим массоперенос и самоорганизацию сольватов (наночастиц, молекул). При выводе уравнений предполагалась малость числа Рейнольдса, что отвечает малости размера капли и скорости течения жидкости. Испарение предполагалось достаточно медленным, чтобы было справедливым квазистационарное приближение. Так же была принята малость числа Пекле, что отвечает относительно небольшим скоростям конвективных потоков по отношению к скорости диффузионного переноса примеси. При этом число Марангони может иметь величину от единицы до значения порядка нескольких десятков. Модель апробирована на системах вода-этанол и октанол-пероксид водорода. Построены линии тока конвективных течений, проанализированы условия их возникновения.

Рассмотрены факторы, определяющие стабильность нанопузыря с гидратным -слоем толщиной 1 nm и диэлектрической проницаемостью порядка 3. Сравниваются две гипотезы стабильности– электростатическая и механическая (лед-эффект или «electrofreezing»). В первом случае давление Лапласа компенсируется за счет электростатического давления на границе ОНП, а во втором - за счет эффекта электрозамерзания его -слоя в высоком электрическом поле. Показано, что в воде без солей при формировании ледяной оболочки требуется меньший заряд нанопузыря, чем при кулоновском механизме стабилизации. В морской воде, напротив – большую эффективность проявляет кулоновский механизм, поскольку обледенению противодействуют ионы растворенной соли. Определены размеры и заряд нанопузыря при двух механизмах стабильности.

Методом молекулярной динамики решается задача о стационарной нуклеации пар-жидкость при постоянном числе частиц, взаимодействующих посредством потенциала Леннард-Джонса, для случаев изотермической и неизотермической нуклеации в широком диапазоне пересыщений пара с применением специального метода моделирования стационарной нуклеации, при котором кластеры, достигшие определенного размера, удаляются из системы, а составляющие их частицы возвращаются в виде мономеров. Определено распределение температуры по размерам кластеров. Установлено, что температура, начиная с ее значения для мономеров, несколько снижается, но при приближении размера кластера к критическому вновь достигает этого значения, после чего быстро возрастает. Распределение температуры по размерам кластеров определяет распределение их числовых плотностей и контролирует неидеальность пара, что существенно влияет на скорость нуклеации. Продемонстрирована критическая важность знания температуры кластеров для аналитических моделей, позволяющая точно определять пересыщение пара и фактическую неизотермическую скорость нуклеации. Определенные скорости нуклеации и критические размеры кластеров для изотермического и неизотермического случаев показали удовлетворительное согласие с теоретической моделью, предсказывающей снижение скорости нуклеации в неизотермическом случае.

С использованием изотермической молекулярной динамики и программы LAMMPS проведено сравнительное исследованием стабильности наноструктур ядро-оболочка Pd₅₀₀₀Ni₅₀₀₀@Pt₅₀₀₀, Pt₅₀₀₀Ni₅₀₀₀@Pd₅₀₀₀ и Pt₅₀₀₀Pd₅₀₀₀@Ni₅₀₀₀ в процессе плавного повышения температуры от 300 до 2200 К. Установлено, что все три гомотопа сохраняют морфологию ядро-оболочка вплоть до начала их плавления. Однако, более стабильными являются тернарные наночастицы Pt₅₀₀₀Ni₅₀₀₀@Pd₅₀₀₀, плавление которых начинается при более высокой температуре и которые отчасти наследуют морфологию ядро-оболочка даже после завершения плавления. Сделан вывод о взаимосвязи между более высокой стабильностью наноструктур PtNi@Pd и эффектом поверхностной сегрегации Pd в тернарных наночастицах Pt-Pd-Ni. В свою очередь, выраженная поверхностная сегрегация Pd объяснена тем, что именно этот компонент характеризуется наименьшим значением удельной поверхностной энергии.

Представлены результаты молекулярно-динамического моделирования термоиндуцированных структурных превращений в четырехкомпонентных наносплавах Cu-Au-Pt-Pd с использованием потенциала сильной связи. В качестве начальных конфигураций были выбраны: система ядро-оболочка, в которой ядро представляет собой многокомпонентный сплав с однородным распределением компонентов (Cu₂₀₀-Au₆₀₀-Pt₈₀₀)@Pd₂₄₀₀, луковичная структура Cu₂₀₀@Au₆₀₀@Pt₈₀₀@Pd₂₄₀₀, сплав с равномерным распределением компонентов Cu₂₀₀-Au₆₀₀-Pt₈₀₀-Pd₂₄₀₀, Янус-структуры с ассиметричным Cu₂₀₀/Au₆₀₀/Pt₈₀₀/Pd₂₄₀₀ и симметричным распределениями компонентов (Cu₁₀₀/Au₃₀₀/Pt₄₀₀/Pd₂₄₀₀/Pt₄₀₀/Au₃₀₀/Cu₁₀₀  и Pd₁₂₀₀/Pt₄₀₀/Au₃₀₀/Cu₂₀₀/Au₃₀₀/Pt₄₀₀/Pd₁₂₀₀). На основе анализа температурных зависимостей потенциальной части внутренней энергии найдены температуры, отвечающие началу фазового перехода плавления-кристаллизации, а также оценена величина температурного гистерезиса. Установлены закономерности изменения данных величин в зависимости от скорости термического воздействия. Проанализированы закономерности структурообразования, установлена доминирующая роль ГЦК локального окружения, выявлены случаи возникновения других кристаллических структур (ГПУ и ОЦК). Описаны закономерности химической сегрегации, подтверждающие возможность существования различных сценариев сегрегационного поведения компонентов. На основе оригинальной методики проведены оценки удельной поверхностной энергии для многокомпонентных металлических наночастиц (конечных конфигураций после цикла термического воздействия, включающего фазовый переход плавления-кристаллизации). Величина удельной поверхностной энергии коррелирует со стабильностью конечных конфигураций, соответствующих различным начальным конфигурациям.

Капиллярные силы являются одним из основных источников адгезии между элементами микросистем. Адгезия может проявляться при изготовлении или эксплуатации устройства и играть негативную или позитивную роль. В работе описан метод оценки капиллярной силы между гидрофильными шероховатыми поверхностями как функции относительной влажности и номинальной площади контакта. Метод основан на подсчете числа пиков шероховатости, между которыми спонтанно образуются капиллярные мостики. Для реализации метода требуется детальная информация о шероховатости контактирующих поверхностей, которая может быть получена с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Идея метода иллюстрируется на примере термически напыленных пленок золота разной толщины, контактирующих с гладкой поверхностью кремния. Используются АСМ сканы поверхности площадью 20×20 мкм² и разрешением 4096 пикселей на линию. Развитая теория воспроизводит основные закономерности, наблюдаемые экспериментально. В частности, показано, что относительная роль капиллярных сил снижается с увеличением номинальной площади контакта, и основную роль в адгезии начинают играть дисперсионные силы. Результаты работы важны для проектирования микросистем и экспериментов по измерению дисперсионных сил.

В статье рассматривается осаждение газа на кристаллическую подложку при условии наличия между подложкой и газом проницаемой мембраны. Мембрана отталкивает частицы газа, однако потенциал отталкивания имеет конечную максимальную силу, что позволяет частицам газа проникать через эту мембрану, если их скорость превышает некоторое значение. Показывается, что в зависимости от максимальной силы отталкивания мембраны (интенсивности отталкивания) система приходит к совершенно разным конечным состояниям: монокристаллу, поликристаллу с различной степенью пористости или же в системе не происходит кристаллизации вообще.

Работа посвящена исследованию электрофореза проводящей и непроводящей частиц в растворе полярного электролита под действием сильного электрического поля. Представлены результаты численного моделирования для обоих видов частиц: распределение концентраций катионов и анионов, плотности заряда, суммарной концентрации и потоков ионов около поверхности частицы. Показано, что около диэлектрической поверхности при достаточно большом поверхностном заряде формируется область расширенного пространственного заряда. Возникновение этой области обусловлено высокой поверхностной проводимостью в двойном электрическом слое и интенсивными касательными потоками ионов. Обнаружены качественные различия в механизме формирования области расширенного пространственного заряда для ионоселективной и диэлектрической частицы. Полученные результаты способствуют пониманию нелинейных электрокинетических процессов и могут быть полезны при проектировании микрофлюидных систем и коллоидных технологий.