Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии
The characteristics of the dynamics of water molecules in the presence of PEG-1500 and -4000 are determined. The effect of relatively small concentrations lower than 2.0 mass. % of these PEG on the water dynamics and the mechanisms of its translation motions is analyzed. The
 data were obtai...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3909 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии / Т.В. Кармазина, В.И. Слисенко, А.А. Василькевич, Т.Н. Базилюк, А.А. Петрачков, В.М. Омельченко // Доп. НАН України. — 2008. — № 2. — С. 80-85. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860164451630579712 |
|---|---|
| author | Кармазина, Т.В. Слисенко, В.И. Василькевич, А.А. Базилюк, Т.Н. Петрачков, А.А. Омельченко, В.М. |
| author_facet | Кармазина, Т.В. Слисенко, В.И. Василькевич, А.А. Базилюк, Т.Н. Петрачков, А.А. Омельченко, В.М. |
| citation_txt | Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии / Т.В. Кармазина, В.И. Слисенко, А.А. Василькевич, Т.Н. Базилюк, А.А. Петрачков, В.М. Омельченко // Доп. НАН України. — 2008. — № 2. — С. 80-85. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | The characteristics of the dynamics of water molecules in the presence of PEG-1500 and -4000 are determined. The effect of relatively small concentrations lower than 2.0 mass. % of these PEG on the water dynamics and the mechanisms of its translation motions is analyzed. The
data were obtained by the quasielastic slow neutron scattering method.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:56:16Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
2 • 2008
ФIЗИКА
УДК 539.219.3+54–145.2+544.35.03+539.125.5
© 2008
Т.В. Кармазина, В.И. Слисенко, А.А. Василькевич,
Т.Н. Базилюк, А. А. Петрачков, В. М. Омельченко
Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500
и -4000 на механизмы диффузии молекул воды
по данным нейтроноскопии
(Представлено академиком НАН Украины И.Н. Вишневским)
The characteristics of the dynamics of water molecules in the presence of PEG-1500 and -4000
are determined. The effect of relatively small concentrations lower than 2.0 mass. % of these
PEG on the water dynamics and the mechanisms of its translation motions is analyzed. The
data were obtained by the quasielastic slow neutron scattering method.
Свойствам растворителей уделяется существенное внимание, в том числе наиболее рас-
пространенному — воде. Одна из важнейших функций молекул воды — транспортная.
Диффузионные свойства среды влияют на скорость химических реакций, обеспечивают
массообмен в системе. Известно, что под влиянием физических воздействий и химических
компонентов изменяется структура воды, а следовательно, и ее динамика. Имеются за-
труднения с количественной оценкой таких изменений, особенно, если речь идет о слабых
воздействиях или относительно малых концентрациях веществ в воде. Получение коли-
чественных характеристик динамики воды и оценка влияния на них других соединений,
например высокомолекулярных, является важной научной проблемой.
Цель работы заключается в определении влияния относительно малых концентраций
полиэтиленгликолей ПЭГ-1500 и ПЭГ-4000 на характеристики динамики воды и механиз-
мов ее диффузии на основе количественной оценки по данным спектров квазиупругого
рассеяния медленных нейтронов.
Характеристики динамики воды можно оценить на основе одного из наиболее чувстви-
тельных методов исследования — нейтроноскопии, а именно — квазиупругого рассеяния
медленных нейтронов (КРН). Для интерпретации спектров КРН в работе использованы
подходы, которые описаны ранее [1, 2].
Как характеристики механизмов диффузии молекул воды рассматриваются:
D — общий коэффициент диффузии;
80 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №2
Dl — коэффициент, который отражает вклад от коллективных движений в динамику
воды или вклад от непрерывной диффузии в общий механизм трансляционных движений
молекул воды;
Df — коэффициент, который отражает вклад от одночастичных движений в динамику
воды или вклад диффузии прыжком в общий механизм трансляционных движений молекул
воды;
τ0 — время жизни молекул воды в колебательном состоянии возле центра равновесия;
l — длина прыжка молекул воды.
Суть метода заключается в следующем [1, 2]. В данном методе использован общий под-
ход, основанный на методе пространственно-временных корреляционных функций Ван Хо-
ва, которые можно выразить через дважды дифференциальное сечение рассеяний нейтро-
нов:
d2σ
dΩdε
= σнкS(~χ, ω)
k
k0~
(1)
где σнк — некогерентное сечение рассеяние нейтронов; S(k, ω) — закон рассеяния; k0 и k —
абсолютные значения волновых векторов нейтронов до и после рассеяния, ~χ = ~k − ~k0; ~ —
постоянная Планка.
Учитывая, что исследуемые нами системы содержат водород, сечение рассеяния на ко-
тором практически некогерентно и на порядок выше сечения рассеяния на остальных эле-
ментах, закон рассеяния можно представить в виде
Sнк(~χ, ω) =
1
2π
∫∫
d~rdtGs(~r, t) exp[i(k~r − ωt)], (2)
где Gs(~r, t) — автокорреляционная функция, которая описывает корреляцию между поло-
жениями одной и той же частицы системы в разные моменты времени.
В гауссовском приближении
Gs(~r, t) = [2πΓ(t)]−3/2 exp[−r2/2Γ(t)], (3)
где Γ(t) — величина среднего квадратичного отклонения частицы от начала координат по
истечению времени t.
Такое приближение справедливо в предельных случаях больших и малых t:
t ≫
~
2kБT
и t ≪
~
2kБT
, (4)
причем в первом случае
Γ(t) = 2Dt − C, (5)
а во втором
Γ(t) =
i~t
M
. (6)
Моделируя автокорреляционную функцию Gs(~r, t), а тем самым и S(χ, ω), так, чтобы
выполнялось условие (4), и сравнивая с экспериментальными данными дважды дифферен-
циального сечения рассеяния нейтронов по формуле (1), можно определить особенности
атомного и молекулярного движения в жидкости.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №2 81
Закон рассеяния можно выразить через определяемое непосредственно из эксперимента
уширение квазиупругого пика ∆E спектра рассеянных нейтронов:
Sнк
(
~χ,
ε
~
)
≈
∆E/2~
(ε/~)2 + (∆E/2~)2
. (7)
Дальнейшая процедура теоретического описания зависимости ∆E от квадрата передан-
ного импульса χ2 зависит от выбранной модели. Современные теоретические представления
о кинетических свойствах жидкости учитывают иерархию временных масштабов молеку-
лярных движений.
Классификацию процессов по временным масштабам можно провести, исходя из отдель-
ного рассмотрения одночастичных движений, которые характеризуются быстро изменяю-
щимися величинами, т. е. малым периодом установления квазистационарного распределе-
ния частиц по координатам и скоростям, и коллективных движений молекул в жидкости,
являющихся результатом взаимодействия большого числа кинетических единиц и характе-
ризующихся средними локально равновесными значениями энергии, импульса, массы.
Исходя из иерархии временных масштабов, т. е. малых и больших времен наблюдения,
уширение квазиупругого пика ∆E спектров рассеяния нейтронов можно представить в виде
суммы одночастичного ∆Ef и коллективного ∆El вкладов:
∆E = ∆Ef + ∆El, (8)
где
∆El = 2~χ2Dl, (9)
а
∆Ef =
2~
τ0
[
1 −
e−2w
1 + Dfχ2τ0
]
. (10)
Здесь e−2w — фактор Дебая-Валлера, содержит информацию о среднеквадратичном откло-
нении молекул в результате тепловых колебаний.
Учитывая (9) и (10),
∆E(χ2) = 2~χ2Dl +
2~
τ0
[
1 −
e−2w
1 + Dfχ2τ0
]
. (11)
Как уже упоминалось, ∆E(χ2) — экспериментально наблюдаемая для каждого угла
рассеяния (каждого значения χ2) величина.
Коэффициенты диффузии определяются из уравнения (11) следующим образом.
При χ2
→ 0:
∆E(χ2) → 2~χ2Dl + 2~χ2Df = 2~χ2(Dl + Df ) = 2~χ2D,
D =
1
2~
∂(∆E)
∂χ2
.
(12)
82 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №2
При χ2
→ ∞:
∆E(χ2) → 2~χ2Dl +
2~
τ0
,
Dl =
1
2~
∂(∆E)
∂χ2
.
(13)
Помимо коэффициентов диффузии D, Dl, Df и времени жизни молекул в колебательном
состоянии τ0, можно определить величину l — длину прыжка молекул из одного положения
равновесия в другое, используя соотношение
Dl =
l2
6τ0
.
Обобщение результатов исследования влияния ряда органических и неорганических со-
единений на характеристики динамики воды и механизмов ее диффузии в рамках таких
подходов приведено в [1], а также в [2, 4, 5], включая исследование динамики воды вблизи
гидрофильной поверхности [6]. В [1, 6] представлено обоснование того, что, согласно вы-
бранным моделям для трактовки спектров КРН водными растворами, концентрация соеди-
нений в которых низкая, зависимости энергетического уширения квазиупругих нейтронных
пиков от квадратов переданных нейтронам импульсов представляют информацию именно
о динамике молекул воды, что и позволяет рассчитать характеристики механизмов их диф-
фузии.
Согласно современным представлениям, термин “структура воды” означает подвижную
трехмерную сеть водородных связей и их трансформацию [7]. Изменение характеристик
динамики молекул воды под влиянием различных соединений, в том числе высокомолеку-
лярных, является результатом разрушения прежней и образования новой сетки водородных
связей.
Рассчитанные согласно выбранной модели для интепретации данных квазиупругого рас-
сеяния медленных нейтронов характеристики механизмов диффузии воды для исследуемых
растворов ПЭГ-1500 и ПЭГ-4000 приведены соответственно в табл. 1 и 2.
В табл. 1 представлены также характеристики динамики молекул самой воды. Соо-
тношение между вкладами от одночастичных и коллективных Df/Dl для самой воды со-
ставляет 3,8. Исследуемые полимеры — твердые вещества, следовательно, для них дина-
мика определяется лишь одночастичными движениями. Благодаря анализу приведенных
в табл. 1 результатов исследований можно сделать вывод об экстремальном поведении кон-
центрационной зависимости характеристик динамики молекул воды в присутствии малых
Таблица 1. Характеристики динамики молекул воды в водных растворах полиэтиленгликоля-1500
Концентрация,
% (мас.)
D · 10
9,
м2с−1
Dl · 10
9,
м2с−1
Df · 10
9,
м2с−1
Df
Dl
τ0 · 10
12,
c
l, нм
0 2,23 0,46 1,77 3,8 2,80 0,07
0,05 1,64 0,55 1,09 2,0 2,69 0,13
0,10 1,65 0,69 0,96 1,4 2,88 0,13
1,00 2,03 0,36 1,67 4,6 2,00 0,14
2,00 2,02 0,27 1,75 6,5 1,91 0,14
Пр и м е ч а н и е . Ошибка определения характеристик диффузии воды не превышает 6%.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №2 83
Таблица 2. Характеристики динамики молекул воды в водных растворах полиэтиленгликоля-4000
Концентрация,
% (мас.)
D · 10
9,
м2с−1
Dl · 10
9,
м2с−1
Df · 10
9,
м2с−1
Df
Dl
τ0 · 10
12,
c
l, нм
0 2,23 0,46 1,77 3,85 2,80 0,074
0,10 1,41 0,28 1,13 4,04 1,58 0,103
1,00 1,65 0,24 1,41 5,88 1,80 0,123
Пр и м е ч а н и е . Ошибка определения характеристик диффузии воды не превышает 6%.
количеств ПЭГ-1500 в водном растворе в пределах рассматриваемых концентраций. Осо-
бенность заключается в том, что при концентрации 0,1% (мас.) наблюдается максимальное
значение роли коллективных движений при минимальном значение роли одночастичных
движений. Найденное значение коэффициента Dl больше, чем для всех рассматриваемых
растворов, и больше, чем соответствующее значения для самой воды.
При всех концентрациях длина прыжка l молекул воды в растворах ПЭГ превышает
значение l для самой воды.
Рассмотрим аналогичную зависимость для ПЭГ-4000 (см. табл. 2).
Оцененные количественно характеристики динамики молекул воды в растворах
ПЭГ-4000 свидетельствуют о том, что, как и в случае ПЭГ-1500, концентрационная за-
висимость этих характеристик имеет экстремальный характер. При концентрации 0,1% на-
блюдается минимальное значение общего коэффициента диффузии D. Причем при этой
концентрации значение коэффициента Df , соответствующего вкладу от одночастичных
движений молекул воды, также минимально.
Сравнение характеристик динамики молекул воды в присутствии ПЭГ-1500 и ПЭГ-4000
(см. табл. 1, 2) позволяют сделать вывод о том, что, как можно было предположить, бо-
лее высокомолекулярный ПЭГ при равных концентрациях в большей степени влияет на
характеристики трансляционных движений молекул воды.
Для ПЭГ-1500 в пределах рассматриваемых концентраций при концентрации 0,1% (мас.)
динамика молекул воды в большей мере определяется коллективными движениями молекул
воды по сравнению с другими растворами, а также с самой водой.
Проведенные исследования позволили обнаружить особенности в концентрационной за-
висимости характеристик диффузии водных растворов полиэтиленгликолей. При измене-
нии концентрации от 0 до 2% (мас.) в концентрационной зависимости общего коэффициента
диффузии наблюдается минимум. Аналогичный минимум наблюдался в водно-спиртовых
растворах при концентрациях 4–6% (мольн.) [8].
Таким образом, применение квазиупругого рассеяния медленных нейтронов для иссле-
дования водных растворов полиэтиленгликолей дало возможность установить особенности
влияния этих полимеров на динамику молекул воды.
1. Булавiн Л.А., Кармазiна Т.В., Клепко В.В., Слiсенко В. I. Нейтронна спектроскопiя конденсованих
середовищ. – Київ: ВД “Академперiодика”, 2005. – 640 с.
2. Кармазина Т. В., Слисенко В.И., Василькевич А.А. и др. Влияние числа оксиэтильных групп в моле-
кулах органических соединений на молекулярно-динамическое состояние воды // Химия и технология
воды. – 2002. – 24, № 2. – С. 109–119.
3. Кубо. Некоторые вопросы статистико-механической теории необратимых процессов. – Москва: Изд-во
иностр. лит., 1962. – 462 с.
4. Karmazina T.V., Kavitskya A.A., Slisenko V. I. et al. Changing of mechanisms of self-diffusion of water
molecules under nanofiltration of electrolyte solution // Desalination. – 2005. – 183, No 1–3. – P. 337–345.
5. Кармазина Т. В. Динамическое состояние воды и адсорбция ПАВ в системах вода – ПАВ – твердый
сорбент // Теорет. и эксперим. химия. – 1998. – 34, № 1. – С. 19–22.
84 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №2
6. Bellissent-Funel M.-C. Water near hydrophilic surfaces // J. of Molecular Liquids. – 2002. – P. 287–304.
7. Volger E.A. Structure and reactivity of water at biomaterial surfaces // Advances in Colloid and Interface
Sci. – 1998. – 74, No 1–3. – P. 69–117.
8. Булавiн Л.А., Слiсенко В. I., Василькевич О.А. та iн. Динамiка молекул водно-спиртових розчинiв
малої концентрацiї // Зб. наукових праць “Сучаснi проблеми молекулярної фiзики”. – Київ: ВПЦ
“Київ. ун-т”. – 2006. – С. 73–78.
Поступило в редакцию 12.06.2007Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев
Институт коллоидной химии и химии воды
им. А.В. Думанского НАН Украины, Киев
Киевский национальный университет
им. Тараса Шевченко
УДК 530.1;534.2;539.2
© 2008
Академик НАН Украины В.М. Локтев, Ю.Н. Халак
К теории акустоэмиссии при неконсервативном
движении ступеньки на винтовой дислокации
The attempt is made to find a solution of the equations of motion for a continuous medium
describing the driven displacement of a screw dislocation with jog in a crystal under the action
of an ultrasonic wave. As a result, the sequence and the shape of acoustic emission pulses which
can be studied experimentally are determined.
1. Динамическое нагружение кристаллов ультразвуковым возмущением приводит к воз-
никновению целого ряда интересных явлений, многие из которых имеют резко выражен-
ный пороговый характер по амплитуде ультразвуковой волны. Среди последних следует
упомянуть акустолюминесценцию [1], акусто- и акустофотопроводимость [1, 2], раство-
рение дефектных кластеров [3], амплитудно-зависимое внутреннее трение [2], размноже-
ние дислокаций [4], генерацию оптически активных и электрически заряженных точечных
дефектов [5] и т. п. Важное место в этом ряду занимает и явление акустической эмис-
сии [6].
Ввиду возможности использования акустической эмиссии для неразрушающего контро-
ля структуры твердых тел, имеется достаточное количество работ (например, [7–9]), посвя-
щенных теоретическому и экспериментальному изучению именно этого типа испускания.
При этом традиционно роль основных источников акустоэмиссии отводится неравномер-
ному (ускоренному) движению дислокаций в процессе их отрыва от стопоров1, фазовые
превращения I рода, вызывающие скачкообразные изменения в кристаллической решетке,
а также двойникование либо трещинообразование.
1Следует заметить, что звуковые волны могут генерироваться в твердых телах и при равномерном дви-
жении в них тех или иных объектов (в частности, краудионов [10]), если только скорость движения послед-
них превышает фазовую скорость звука.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №2 85
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-3909 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:56:16Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кармазина, Т.В. Слисенко, В.И. Василькевич, А.А. Базилюк, Т.Н. Петрачков, А.А. Омельченко, В.М. 2009-07-14T08:07:33Z 2009-07-14T08:07:33Z 2008 Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии / Т.В. Кармазина, В.И. Слисенко, А.А. Василькевич, Т.Н. Базилюк, А.А. Петрачков, В.М. Омельченко // Доп. НАН України. — 2008. — № 2. — С. 80-85. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3909 539.219.3+54–145.2+544.35.03+539.125.5 The characteristics of the dynamics of water molecules in the presence of PEG-1500 and -4000 are determined. The effect of relatively small concentrations lower than 2.0 mass. % of these PEG on the water dynamics and the mechanisms of its translation motions is analyzed. The
 data were obtained by the quasielastic slow neutron scattering method. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Фізика Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии Кармазина, Т.В. Слисенко, В.И. Василькевич, А.А. Базилюк, Т.Н. Петрачков, А.А. Омельченко, В.М. Фізика |
| title | Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии |
| title_full | Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии |
| title_fullStr | Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии |
| title_full_unstemmed | Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии |
| title_short | Влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии |
| title_sort | влияние малых концентраций полиэтиленгликолей-1500 и -4000 на механизмы диффузии молекул воды по данным нейтроноскопии |
| topic | Фізика |
| topic_facet | Фізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3909 |
| work_keys_str_mv | AT karmazinatv vliâniemalyhkoncentraciipoliétilenglikolei1500i4000namehanizmydiffuziimolekulvodypodannymneitronoskopii AT slisenkovi vliâniemalyhkoncentraciipoliétilenglikolei1500i4000namehanizmydiffuziimolekulvodypodannymneitronoskopii AT vasilʹkevičaa vliâniemalyhkoncentraciipoliétilenglikolei1500i4000namehanizmydiffuziimolekulvodypodannymneitronoskopii AT bazilûktn vliâniemalyhkoncentraciipoliétilenglikolei1500i4000namehanizmydiffuziimolekulvodypodannymneitronoskopii AT petračkovaa vliâniemalyhkoncentraciipoliétilenglikolei1500i4000namehanizmydiffuziimolekulvodypodannymneitronoskopii AT omelʹčenkovm vliâniemalyhkoncentraciipoliétilenglikolei1500i4000namehanizmydiffuziimolekulvodypodannymneitronoskopii |