Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии

Binary systems water — oxyethylated glycerol (OEG) with the polymerization degree n = 5 and 25 have been investigated by optical cryomicroscopy within the temperature range 173–273 K at a cooling rate of 30 K min–1 and a warming rate of 5 K min–1. Cryomicrographs demonstrating the morphology of the...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2007
Main Authors: Животова, Е.Н., Кулешова, Л.Г., Зинченко, А.В., Чеканова, В.В.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2007
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1735
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии / Е.Н. Животова, Л.Г. Кулешова, А.В. Зинченко, В.В. Чеканова // Доп. НАН України. — 2007. — N 4. — С. 78–84. — назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1735
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17352025-02-09T21:47:44Z Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии Животова, Е.Н. Кулешова, Л.Г. Зинченко, А.В. Чеканова, В.В. Фізика Binary systems water — oxyethylated glycerol (OEG) with the polymerization degree n = 5 and 25 have been investigated by optical cryomicroscopy within the temperature range 173–273 K at a cooling rate of 30 K min–1 and a warming rate of 5 K min–1. Cryomicrographs demonstrating the morphology of the crystalline and/or amorphous phases at different contents of OEG depending on temperature on cooling or warming are given. It has been shown that the systems with low (0–45%) and medium (46–72%) contents of OEG (n = 5) crystallize, and the high OEG (n = 5)-content systems (73–100%) remain wholly amorphous. A similar situation is observed for the system water — OEG (n = 25) with insignificant differences in the concentration ranges. The fundamental distinction between the two systems consists in that the system water — OEG (n = 25) of the high OEG (n = 25) concentration (more than 77%) forms an ordered structure in contrast to the system water — OEG (n = 5). 2007 Article Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии / Е.Н. Животова, Л.Г. Кулешова, А.В. Зинченко, В.В. Чеканова // Доп. НАН України. — 2007. — N 4. — С. 78–84. — назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1735 539.196.3:57.043.086.2:547.42 ru application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Фізика
Фізика
spellingShingle Фізика
Фізика
Животова, Е.Н.
Кулешова, Л.Г.
Зинченко, А.В.
Чеканова, В.В.
Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии
description Binary systems water — oxyethylated glycerol (OEG) with the polymerization degree n = 5 and 25 have been investigated by optical cryomicroscopy within the temperature range 173–273 K at a cooling rate of 30 K min–1 and a warming rate of 5 K min–1. Cryomicrographs demonstrating the morphology of the crystalline and/or amorphous phases at different contents of OEG depending on temperature on cooling or warming are given. It has been shown that the systems with low (0–45%) and medium (46–72%) contents of OEG (n = 5) crystallize, and the high OEG (n = 5)-content systems (73–100%) remain wholly amorphous. A similar situation is observed for the system water — OEG (n = 25) with insignificant differences in the concentration ranges. The fundamental distinction between the two systems consists in that the system water — OEG (n = 25) of the high OEG (n = 25) concentration (more than 77%) forms an ordered structure in contrast to the system water — OEG (n = 5).
format Article
author Животова, Е.Н.
Кулешова, Л.Г.
Зинченко, А.В.
Чеканова, В.В.
author_facet Животова, Е.Н.
Кулешова, Л.Г.
Зинченко, А.В.
Чеканова, В.В.
author_sort Животова, Е.Н.
title Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии
title_short Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии
title_full Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии
title_fullStr Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии
title_full_unstemmed Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии
title_sort исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 к методом криомикроскопии
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2007
topic_facet Фізика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1735
citation_txt Исследование физических состояний бинарных систем вода—оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии / Е.Н. Животова, Л.Г. Кулешова, А.В. Зинченко, В.В. Чеканова // Доп. НАН України. — 2007. — N 4. — С. 78–84. — назв. — рос.
work_keys_str_mv AT životovaen issledovaniefizičeskihsostoâniibinarnyhsistemvodaoksiétilirovannyiglicerinsostepenʹûpolimerizaciin5i25pritemperaturahniže273kmetodomkriomikroskopii
AT kulešovalg issledovaniefizičeskihsostoâniibinarnyhsistemvodaoksiétilirovannyiglicerinsostepenʹûpolimerizaciin5i25pritemperaturahniže273kmetodomkriomikroskopii
AT zinčenkoav issledovaniefizičeskihsostoâniibinarnyhsistemvodaoksiétilirovannyiglicerinsostepenʹûpolimerizaciin5i25pritemperaturahniže273kmetodomkriomikroskopii
AT čekanovavv issledovaniefizičeskihsostoâniibinarnyhsistemvodaoksiétilirovannyiglicerinsostepenʹûpolimerizaciin5i25pritemperaturahniže273kmetodomkriomikroskopii
first_indexed 2025-12-01T03:42:56Z
last_indexed 2025-12-01T03:42:56Z
_version_ 1850275874185674752
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 4 • 2007 ФIЗИКА УДК 539.196.3:57.043.086.2:547.42 © 2007 Е.Н. Животова, Л. Г. Кулешова, А.В. Зинченко, В.В. Чеканова Исследование физических состояний бинарных систем вода— оксиэтилированный глицерин со степенью полимеризации n = 5 и 25 при температурах ниже 273 К методом криомикроскопии (Представлено членом-корреспондентом НАН Украины М.А. Стрежемечным) Binary systems water — oxyethylated glycerol (OEG) with the polymerization degree n = 5 and 25 have been investigated by optical cryomicroscopy within the temperature range 173– 273 K at a cooling rate of 30 K min−1 and a warming rate of 5 K min−1. Cryomicrographs demonstrating the morphology of the crystalline and/or amorphous phases at different contents of OEG depending on temperature on cooling or warming are given. It has been shown that the systems with low (0–45%) and medium (46–72%) contents of OEG (n = 5) crystallize, and the high OEG (n = 5)-content systems (73–100%) remain wholly amorphous. A similar situation is observed for the system water — OEG (n = 25) with insignificant differences in the concentration ranges. The fundamental distinction between the two systems consists in that the system water — OEG (n = 25) of the high OEG (n = 25) concentration (more than 77%) forms an ordered structure in contrast to the system water — OEG (n = 5). Исследования водных растворов многоатомных спиртов важны для изучения межмоле- кулярных взаимодействий в системах с водородными связями, склонных к стеклованию при охлаждении. Благодаря свойству переходить в твердоаморфное состояние при низ- ких температурах некоторые многоатомные спирты применяются как криопротекторы при низкотемпературном консервировании биологических объектов. Наиболее широкое практи- ческое применение в качестве криопротектора нашел глицерин, в связи с чем его водные растворы при температурах ниже 273 К исследовались рядом авторов [1–3]. Поиск новых криопротекторов относится к числу актуальных задач криобиологии, причем один из путей состоит в химической модификации многоатомных спиртов, обладающих криопротектор- ными свойствами. Добавление оксиэтильной цепочки (−CH2−CH2−O−) n (оксиэтилирование) к первичной гидроксильной группе молекулы глицерина позволило получить набор оксиэтилированных соединений с различной молекулярной массой в зависимости от степени полимеризации 78 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №4 n [4]. Проведенные ранее калориметрические исследования фазовых переходов и физичес- ких состояний бинарной системы вода — оксиэтилированный глицерин (ОЭГ) со значи- тельно различающимися значениями степени полимеризации (n = 5 и 25) выявили сущест- венные качественные и количественные различия в термическом поведении этих систем в диапазоне температур 123–273 К [5]. Так, на термограммах ДСК при концентрациях ОЭГ (n = 25) выше 77% (мас.) наблюдались экзо- и эндотермические пики, которые были идентифицированы нами как кристаллизация и плавление ОЭГ (n = 25). Эти процессы не происходили в системе вода — ОЭГ (n = 5) в том же диапазоне концентраций. Кроме того, наблюдалось значительное повышение температуры всех фазовых переходов и стеклова- ния с ростом степени полимеризации. Результаты, полученные с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии в работе [5], могут быть существенно дополнены криомикроскопическим исследованием. Совместное использование этих методов позволяет получить более достоверную информа- цию о физических состояниях систем при различных температурах при охлаждении и на- греве [6–8]. Целью настоящей работы является исследование характера затвердевания водных раст- воров ОЭГ (n = 5 и 25) в зависимости от концентрации ОЭГ методом оптической криомик- роскопии в диапазоне температур 173–273 К. Материалы и методы. Оксиэтилирование глицерина проводили по методу, описанно- му в работе [5]. Растворы ОЭГ готовили на дистиллированной воде. Концентрацию раство- ров ОЭГ выражали в массовых процентах. Криомикроскопические исследования проводили на установке, позволяющей визуально наблюдать морфологию растворов на этапе замораживания до 173 ◦К и на этапе нагрева [9]. Каплю исследуемого раствора ОЭГ помещали в рабочую камеру криостолика и накрыва- ли покровным стеклом. Для устранения возможного переохлаждения в образец вносили кристаллы AgI. Охлаждение осуществляли со скоростью 30 К/мин, нагрев — 5 К/мин. Кинетику процессов фиксировали фотографически при 100-кратном увеличении. Результаты и обсуждение. Ранее нами были построены диаграммы физических со- стояний бинарных систем вода — ОЭГ (n = 5 и n = 25) [5], на основании анализа которых были выделены области, ограниченные определенными значениями температуры и кон- центраций. Для каждой области характерны физические состояния раствора с различным соотношением кристаллической и аморфной фаз. В соответствии с этим на диаграмме выде- лены концентрационные зоны (табл. 1) с определенным набором физических состояний и переходов между ними (табл. 2). Для криомикроскопических исследований нами были выбраны по одному представите- лю каждой зоны следующих концентраций ОЭГ (n = 5 и 25): 30% (зона i), 58% (зона ii), 70% (зона iii) и 90% (зона iv). В табл. 2 приведены значения температур расстеклования и фазовых переходов растворов этих концентраций, полученных методом ДСК [5]. Результаты криомикроскопических исследований водных растворов ОЭГ приведены на рис. 1–3. Кристаллизация 30%-ного раствора ОЭГ (n = 5), относящегося к зоне i, на этапе охлаждения сопровождалась формированием в поле зрения двух фронтов кристаллиза- ции, движущихся навстречу друг другу, с формированием между ними концентрационного включения в виде протяженного оптически прозрачного канала, соответствующего стекло- образным включениям (рис. 1, а). Видно, что затвердевший в ходе охлаждения образец в зоне i представляет собой смесь кристаллов льда и стеклообразных включений концент- рированного раствора ОЭГ (n = 5), что согласуется с калориметрическими данными [5]. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №4 79 Переход незакристаллизовавшихся включений из твердоаморфного состояния в состо- яние переохлажденной жидкости, наблюдаемый калориметрически в виде скачка тепло- поглощения на термограммах ДСК, криомикроскопически не наблюдался, поскольку как стеклообразное состояние, так и состояние переохлажденной жидкости, являются оптичес- ки прозрачными. При нагреве в температурном интервале 200–233 К отмечали постепенное сужение кана- ла, свидетельствующее о продвижении фронтов кристаллизации, а, следовательно, о про- должении кристаллизационных процессов, которые начались при охлаждении (рис. 1, б ). Этот процесс соответствует экзотермическим пикам слабой интенсивности, наблюдаемых на термограммах ДСК при температуре 201 К [5]. Дальнейшее повышение температуры приводило к рекристаллизации основной кристаллической матрицы (рис. 1, в). При этом размер канала не изменялся. Область интенсивного плавления характеризовалась отодви- ганием фронтов и расширением канала (рис. 1, г). Для замороженного 30%-ного раствора ОЭГ (n = 25) характерна мелкокристалличес- кая структура льда (рис. 1, д). Нагрев не приводит к визуальному изменению характера структуры вплоть до области интенсивного плавления (рис. 1, е). Охлаждение 58%-ного раствора ОЭГ (n = 5) (зона ii) сопровождалось формированием многочисленных линейных кристаллических структур. Концентрированные жидкие вклю- чения при этом представляли собой тонкие прослойки (рис. 2, а). На этапе нагрева кристал- лизационные процессы, которые были зафиксированы калориметрически в области 207 ◦K, криомикроскопически не наблюдались. Кристаллическая структура визуально оставалась Таблица 1. Границы концентрационных зон (% (масс.)) с определенным набором физических состояний для водных растворов ОЭГ различной степени полимеризации (n) Зона Границы концентрационных зон Характер физического состояния раствора n = 5 n = 25 i 0–45 0–47 Кристаллизация льда происходит на этапе охлажде- ния и продолжается на этапе нагрева. Стеклообразная фаза существует в виде включений ii 46–72 48–65 Раствор затвердевает в аморфном состоянии. Крис- таллизация льда происходит на этапе нагрева iii 73–100 66–76 Раствор не кристаллизуется ни при охлаждении, ни при нагреве iv — 77–100 Кристаллизуется ОЭГ. Стеклообразная фаза суще- ствует в виде включений Таблица 2. Значения температур (К) расстеклования и фазовых переходов водных растворов ОЭГ (n = 5 и 25) различных концентраций Переход 30% (зона i) 58% (зона ii) 70%(зона iii) 90% (зона iv) n = 5 n = 25 n = 5 n = 25 n = 5 n = 25 n = 5 n = 25 Расстеклование 183 198 173 193 182 198 196 206 Кристаллизация воды при нагреве — — 207 214 208 — — — Завершение кристалли- зации воды при нагреве 203 207 — — — — — — Плавление воды 263 267 238 239 221 — — — Кристаллизация ОЭГ — — — — — — — 216 Плавление ОЭГ — — — — — — — 264 80 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №4 Рис. 1. Микрофотографии 30%-ных растворов ОЭГ (n = 5) (а–г) и ОЭГ (n = 25) (д–е) (зона i). На микро- фотографиях указаны температуры съемки, ↓ — охлаждение, ↑ — нагрев. Увеличение одинаково для всех фотографий стабильной вплоть до области предплавления, начало которой совпадало с калориметри- ческими данными. Об интенсивном плавлении свидетельствовало укрупнение каналов и по- степенное измельчение структуры (рис. 2, б ). Согласно данным ДСК, этот раствор принадлежит к зоне ii, для которой характерно формирование кристаллической структуры на этапе нагрева при скоростях охлаждения 200 К/мин и нагрева 0,5 К/мин. Используемая в криомикроскопии скорость охлаждения (30 К/мин), по-видимому, была недостаточной для предотвращения кристаллизации при охлаждении, в результате чего линия кристаллизация 2 на фазовой диаграмме сдвинулась в сторону более высоких концентраций. Поэтому нами были проведены криомикроскопичес- кие исследования раствора, принадлежащего зоне ii, но имеющего более высокую концент- рацию — 68%. Данный раствор оставался оптически прозрачным на всем этапе охлажде- ния вплоть до 173 К, но на этапе нагрева при температуре 213 К наблюдалось зарождение ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №4 81 Рис. 2. Микрофотографии 58%-ных растворов ОЭГ (n = 5) (а–б ) и ОЭГ (n = 25) (д–к) и 68%-ных растворов ОЭГ (n = 5) (в–г) (зона ii). На микрофотографиях указаны температуры съемки, ↓ — охлаждение, ↑ — нагрев 82 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №4 кристаллов льда в форме дендритов [9] и увеличение их размеров с ростом температуры (рис. 2, в, г) до 228 К. С началом плавления при 231 К происходило разрушение дендритов и размытие кристаллов. Данная картина полностью соответствует результатам, получен- ным методом ДСК для зоны ii. Начало образования кристаллов льда в 58%-ном растворе ОЭГ (n = 25) (зона ii) наблю- далось в ходе охлаждения при температуре 239 К в виде возникновения единичных локаль- ных центров кристаллизации, разрастание которых происходило путем выброса дендрит- ных игл в четырех различных направлениях (рис. 2, д). Дальнейший рост сопровождался формированием осей дендрита первого, второго и более высокого порядка, заполняющих пространство между главными стволами дендрита. В результате такого развития процес- са сформировались достаточно крупные поликристаллические конгломераты правильной геометрической огранки (рис. 2, е). При температуре 214 К рост кристаллов прекратился (рис. 2, ж), что, по-видимому, обусловлено ограничением доступа молекул воды к рас- тущим граням кристаллов в результате значительного возрастания вязкости. Остальная масса образца оставалась оптически прозрачной, будучи в аморфном состоянии. Линейные размеры образовавшихся при охлаждении кристаллических фрагментов сохранялись как при дальнейшем охлаждении образца до температуры 173 К, так и при нагреве вплоть до температуры 207 К. При данной температуре было зафиксировано массовое высыпание из переохлажденной жидкости новых кристаллических зародышей (рис. 2, з). При дальней- шем повышении температуры отмечался их активный рост в виде гексагональных струк- тур (рис. 2, и) с постепенным вовлечением в кристаллизационный процесс всего образ- ца. Размеры кристаллов, образовавшихся при нагреве, значительно меньше кристаллов, образовавшихся при охлаждении, так как первые кристаллизуются из более концентриро- ванного раствора, что способствует образованию мелкодисперсного льда. При температу- ре 238 К началось плавление кристаллов льда (рис. 2, к), которое завершилось при тем- пературе 248 К. Растворы зоны iii (ОЭГ (n = 5) — 90% и ОЭГ (n = 25) — 70%) сохраняли оптическую прозрачность, как при охлаждении вплоть до 173 К, а также при последующем нагреве, что свидетельствует об отсутствии рассеивающих частиц, какими являются кристаллы. В данном случае имело место стеклование, что полностью соответствует калориметричес- ким данным для концентрационной зоны iii. Кристаллизация 90%-ного раствора ОЭГ (n = 25) (зона iv) характеризовалась появлени- ем при 256 К едва различимой “сетки” в виде тонких нитей (рис. 3, а), которая практически не претерпевала никаких изменений как при понижении температуры до 173 К (рис. 3, б ), так и при последующем ее повышении до 243 К (рис. 3, в). При нагреве при 267 К “сетка” исчезала, и система переходила в жидкое состояние, о чем свидетельствовало интенсивное перемещение кристалликов AgI в поле зрения (рис. 3, г). Формирование “сетки” идентифи- цируется нами как кристаллизация ОЭГ (n = 25). Таким образом, результаты исследования физических состояний бинарных систем во- да — ОЭГ (n = 5) и вода — ОЭГ (n = 25) в диапазоне температур 173–273 К показали, что при низких (зона i) и средних (зона ii) концентрациях ОЭГ наблюдалось формирование как кристаллической, так и аморфной фаз, соотношение которых зависит от концентрации. Причем в зоне ii формирующиеся кристаллы имели вид дендритов первого, второго и более высоких порядков. В зоне iii системы затвердевали в полностью аморфном состоянии и со- храняли ближний порядок при нагреве. В зоне iv, характерной только для второй системы, наблюдалась кристаллизация ОЭГ (n = 25) в виде формирования сетчатой структуры. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №4 83 Рис. 3. Микрофотографии 90%-ного раствора ОЭГ (n = 25) (зона iv). На микрофотографиях указаны температуры съемки, ↓ — охлаждение, ↑ — нагрев Следует отметить, что результаты, полученные методом оптической криомикроскопии в контрольных концентрационных зонах, достаточно хорошо согласуются с проведенными ранее калориметрическими исследованиями фазовых переходов и физических состояний указанных систем [5]. 1. Vigier G., Vassoille R. Ice nucleation and crystallization in water-glycerol mixture // Cryobiology. – 1987. – 24. – P. 345–354. 2. Chang Z.H., Baust J. G. Physical aging of glassy state: dsc study of vitrified glycerol systems // Ibid. – 1991. – 28. – P. 87–95. 3. Chang Z.H., Baust J. G. Further inquiry into the cryobehavior of aqueous solutions of glycerol // Ibid. – P. 268–278. 4. Матвиец Н.И. Оксиэтилирование глицерина – метод создания криозащитных веществ // Современ- ные проблемы криобиологии. – Киев: Наук. думка, 1976. – С. 15–19. 5. Животова Е.Н., Зинченко А.В., Чеканова В.В., Компаниец А.М. Термический анализ бинарных систем вода – оксиэтилированный глицерин (степень полимеризации n = 5 и 25) при температурах ниже 273 К // Доп. НАН України. – 2006. – № 9. – С. 74–79. 6. Reid D. S. Cryomicroscopic Studies of the Freezing of Model Solutions of Cryobiological Interest // Cryobi- ology. – 1984. – 21. – P. 60–67. 7. Water, a comprehensive treatise. Water and aqueous solutions at subzero temperatures. Edited by F. Franks. Vol. 7. – New York: Plenum Press, 1982. – 484 p. 8. Зинченко А. В., Манк В. В., Овчаренко Ф.Д. и др. Строение и фазовые состояния водно-глицерино- вых растворов // Докл. АН УССР. Сер. Б. – 1982. – № 8. – С. 38–42. 9. Кулешова Л.Г. Криомикроскопический комплекс для криобиологических исследований // Цитоло- гия. – 2004. – 46, № 9. – С. 809–810. 10. Козлова О. Г. Рост и морфология кристаллов. 3-е изд. – Москва: Изд-во Моск. ун-та, 1980. – 368 с. Поступило в редакцию 09.11.2006Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины, Харьков 84 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №4