Химия высоких энергий, 2019, T. 53, № 1, стр. 3-6
Особенности кристаллизации в испаряющихся каплях водных растворов при воздействии на капли наносекундных искровых разрядов
А. Е. Дубинов a, *, В. А. Любимцева a
a Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
607188 Нижегородская обл., Саров, просп. Мира, 37, Россия
* E-mail: dubinov-ae@yandex.ru
Поступила в редакцию 04.07.2018
После доработки 29.08.2018
Принята к публикации 23.08.2018
Аннотация
В работе экспериментально исследовались процессы кристаллизации при высыхании капель растворов под действием наносекундных искровых разрядов. Показано, что в обработываемых плазмой каплях кристаллизация происходит иначе, чем в таких же каплях, но высыхающих естественным образом.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в гидродинамике и физике жидкостей (чистых жидкостей, смесей, растворов, коллоидных систем, эмульсий и др.) наметилось новое направление – изучение динамики и кинетики испаряющихся на твердой подложке капель, а также следов (паттернов), которые они оставляют после полного своего испарения [1–10]. В частности, при испарении капель растворов солей на подложке остаются кристаллы, особенности роста которых в процессе испарения интенсивно изучаются. Так, например, в [11] исследовалась динамика испарения капель водных растворов NaCl и Na2SO4 и кристаллизация этих солей в паттернах высохших капель, в [12, 13] изучалась такая же кристаллизация NaCl в желатине, а в [14] – кристаллизация NaCl в альбумине.
Во всех указанных работах капли испарялись естественным образом. В [15] предложено осуществлять испарение капель на подложке с помощью последовательности наносекундных искровых электрических разрядов над поверхностью капли. Такое испарение происходит заметно быстрее естественного испарения. Целью данной работы являлось экспериментальное сравнение кристаллических паттернов, возникающих при испарении капель водных растворов при естественном испарении и ускоренном испарении с помощью искровых разрядов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Оборудование и материалы
Исследовались водные растворы NaCl, CuSO4 и сахара. Капли исследуемых растворов с помощью дозатора наносились на алюминиевую фольгу толщиной 11 мкм. В случае испарения искровыми разрядами фольга играла роль одного из электродов.
Над каплей закреплялся другой электрод в форме стальной иглы так, чтобы зазор между верхней точкой капли и острием иглы был шириной 2−5 мм. К электродам подключался генератор импульсов. В качестве генератора использовалась бытовая электрозажигалка “Iskorka-6” трансформаторного типа, которая выдает непрерывную последовательность наносекундных импульсов высокого напряжения (до 15 кВ). Импульсы следуют с частотой 20 Гц. При подключении к выходу генератора нагрузки в виде искрового промежутка, в цепи возникают импульсы тока разряда. Типичная осциллограмма импульса тока проводимости одного разряда показана на рис. 1.
Исследования проводились в воздухе при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Все приведенные далее результаты были многократно повторены (не менее 10 раз).
Визуализация разрядов и фотографирование высохших капель осуществлялись с помощью ручного цифрового микроскопа Celestron (Model 44302-A).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
При визуализации самих разрядов выяснилось следующее: если раствор имеет достаточно большую электропроводность (растворы солей), то канал разряда начинается на игольчатом электроде и заканчивается на вершине капли, и далее ток разряда протекает в объеме капли (рис. 2а); если же раствор имеет низкую электропроводность (раствор сахара), то разряд протекает по поверхности капли (рис. 2б).
Таблица 1.
Раствор, (концентрация) | Время естественного высыхания, мин | Время высыхания под действием разрядов, мин |
---|---|---|
Водный раствор NaCl, (5.5 : 100) | 11 ± 2 | 7 ± 1 |
Водный раствор CuSO4, (4 : 100) | 13 ± 2 | 6 ± 1 |
Водный раствор сахара, (8 : 100) | 20 ± 2 | 10 ± 2 |
Капли доводились до полного высыхания. Характерные времена полного высыхания капли (диаметр на подложке 3 мм) представлены в табл. 1. Из нее следует, что под действием разрядов высыхание капли происходит в ~2 раза быстрее.
Приведем типичные изображения кристаллических паттернов после высыхания капель указанных растворов (рис. 3). Паттерны высохших естественным образом капель растворов кристаллов NaCl и CuSO4 оказались типичными (см., напр., [12] для NaCl и [16] для CuSO4), в них кристаллы вырастали по периметру капли (рис. 3а, 3в). Объясняется это тем, что возникающие центры кристаллизации в процессе испарения капли смещались благодаря капиллярным силам к краю капли. Этот эффект известен под названием эффекта кофейных колец [17]. Он возникает не только в кофе, но и в любых других коллоидных растворах [18, 19].
При естественном испарении раствора сахара кристаллизация не развивается, а происходит остекловывание сахара с образованием прозрачной карамели (рис. 3д).
При испарении с помощью разрядов картина кардинально меняется: для ионных растворов эффект кофейных колец разрушается (рис. 3б, 3г) и во всех случаях происходит мелкодисперсная кристаллизация (размерами 5…25 мкм) с концентрацией микрокристаллов почти по всей площади основания капли (рис. 3б, 3г) или вблизи центра (рис. 3е). Такие формы кристаллических паттернов объясняются тем, что разряды возбуждают в объеме капли циркулирующие потоки [20, 21], которые оказываются интенсивнее естественных капиллярных потоков. Эти возбужденные разрядами потоки захватывают в движение центры кристаллизации и формируют наблюдаемые паттерны. Мелкодисперсность кристаллов также может быть объяснена этими потоками, которые омывают центры кристаллизации и повторно растворяют молекулы в воде.
Список литературы
Deegan R.D. // Phys. Rev. E. 2000. V. 61. № 1. P. 475. . doi 10.1103/PhysRevE.61.475
Annarelli C.C., Fornazero J., Bert J., Colombani J. // Eur. Phys. J. E. 2001. V. 5. № 1. Suppl. P. 599. doi 10.1007/s101890170043
Perelaer J., Smith P.J., Hendriks C.E., van den Bergab A.M.J., Schubert U.S. // Soft Matter. 2008. V. 4. № 5. P. 1072. doi 10.1039/b715076h
Yakhno T.A. // Phys. Chem. 2011. V. 1. № 1. P. 10. doi 10.5923/j.pc.20110101.02
Darwich S., Mougin K., Haidara H. // Soft Matter. 2012. V. 8. № 4. P. 1155. doi 10.1039/c1sm06623d
Gorr H.M., Zueger J.M., McAdams D.R., Barnard J.A. // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2013. V. 103. № 1. P. 59. doi 10.1016/j.colsurfb.2012.09.043
Yang X., Lib C.Y., Sun Y. // Soft Matter. 2014. V. 10. № 25. P. 4458. doi 10.1039/c4sm00497c
Paria S., Chaudhuri R.G., Jason N.N. // New J. Chem. 2014. V. 38. № 12. P. 5943. doi 10.1039/c4nj01267d
Esmonde-White K.A., Esmonde-White F.W.L., Morris M.D., Roessler B.J. // Analyst. 2014. V. 139. № 11. P. 2734. doi 10.1039/c3an02175k
Roy B., Choudhuri M.D., Dutta T., Tarafdar S. // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 357. № 1. P. 1000. doi 10.1016/j.apsusc.2015.09.085
Shahidzadeh-Bonn N., Rafaï S., Bonn D., Wegdam G. // Langmuir. 2008. V. 24. № 16. P. 8599. doi 10.1021/ la8005629
Choudhurya M.D., Dutta T., Tarafdar S. // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2013. V. 432. № 1. P. 110. doi 10.1016/j.colsurfa.2013.04.064
Choudhurya M.D., Dutta T., Tarafdar S. // Soft Matter. 2015. V. 11. № 35. P. 6938. doi 10.1039/c5sm00742a
Яхно Т.А. // ЖТФ. 2015. Т. 85. № 11. С. 30. [Yakhno T.A. // Techn. Phys. 2015. V. 60. № 11. P. 1601. doi 10.1134/S1063784215110262].
Kozhayeva J.P., Dubinov A.E. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2017. V. 45. № 12. P. 3089. doi 10.1109/ TPS.2017.2707498
Bhattacharyya S., Roy B., Choudhurya M.D. // J. Surface Sci. Technol. 2016. V. 32. № 3−4. P. 79. doi 10.18311/jsst/2016/7752
Deegan R.D., Bakajin O., Dupont T.F., Huber G., Nagel S.R., Witten T.A. // Nature. 1997. V. 389. № 6653. P. 827. doi 10.1038/39827
Choi S., Stassi S., Pisano A.P., Zohdi T.I. // Langmuir. 2010. V. 26. № 14. P. 11690. doi 10.1021/la101110t
Still T., Yunker P.J., Yodh A.G. // Langmuir. 2012. V. 28. № 11. P. 4984. doi 10.1021/la204928m
Berendsen C.W.J., van Veldhuizen E.M., Kroesen G.M.W., Darhuber A.A. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2015. V. 48. № 2. P. 025203. doi 10.1088/0022-3727/48/ 2/025203
Dubinov A.E., Maximov K.A. // Magnetohydrodynamics. 2016. V. 52. № 4. P. 454. doi 10.22364/mhd
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Химия высоких энергий