Химия высоких энергий, 2019, T. 53, № 1, стр. 3-6

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.

Рис. 1.

Типичная осциллограмма тока проводимости в разряде.

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).

Рис. 2.

Разряд над поверхностью капли: а – раствор CuSO₄; б – раствор сахара.

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].

Рис. 3.

Кристаллические паттерны высохших капель (везде – размерный отрезок 1 мм): а – естественное испарение, раствор NaCl; б – испарение под действием разрядов, раствор NaCl; в – естественное испарение, раствор CuSO₄; г – испарение под действием разрядов, раствор CuSO₄; д – естественное испарение, раствор сахара; е – испарение под действием разрядов, раствор сахара.

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что в каплях растворах, высыхающих под действием последовательности электрических разрядов, кристаллизация происходит иначе, чем в таких же каплях, но высыхающих естественным образом.