Гігіберія Володимир Аркадійович Процеси самоорганізації в рідинних сис­темах, наповнених наночастинками анізотропної форми

Краткое описание

Гігіберія Володимир Аркадійович, молодший науко­вий співробітник відділу фізичної хімії дисперсних міне­ралів Інституту біоколоїдної хімії імені Ф. Д. Овчаренка НАН України: «Процеси самоорганізації в рідинних сис­темах, наповнених наночастинками анізотропної форми» (01.04.14 - теплофізика та молекулярна фізика). Спецра­да Д 26.001.08 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка
Національна академія наук України
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Міністерство освіти і науки України
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
ГІГІБЕРІЯ ВОЛОДИМИР АРКАДІЙОВИЧ
УДК 536.4, 538.9, 539.2
ДИСЕРТАЦІЯ
ПРОЦЕСИ САМООРГАНІЗАЦІЇ В РІДИННИХ СИСТЕМАХ,
НАПОВНЕНИХ НАНОЧАСТИНКАМИ АНІЗОТРОПНОЇ ФОРМИ
01.04.14 – теплофізика та молекулярна фізика
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
__________________ Гігіберія В. А.
Науковий керівник: Лебовка Микола Іванович, доктор
фізико- математичних наук, професор
Київ – 2018

ЗМІСТ
Перелік умовних позначень................................................................................... 17
Вступ....................................................................................................................... 18
Розділ 1. Рідинні системи, наповнені наночастинками анізотропної форми:
Стійкість, випаровування і процеси самоорганізації ........................................... 26
1.1. Стійкість нанорідинних систем, наповнених наночастинками
анізотропної форми ............................................................................................ 26
Нанорідинні системи на основі вуглецевих НТ............................................. 27
Нанорідинні системи на основі неорганічних нанопластинок лапоніту...... 31
1.2. Випаровування нанорідинних систем......................................................... 31
Випаровування крапель, що лежать на підкладці.......................................... 32
Режими течії ................................................................................................. 34
Вплив природи наночастинок ..................................................................... 35
Полімерні частинки .................................................................................. 35
Наночастинки золота ................................................................................ 37
Вуглецеві НТ............................................................................................. 38
Вплив поверхнево-активних речовин ......................................................... 38
Вплив гелеутворення ................................................................................... 40
Вертикальне випаровування ........................................................................... 41
Взаємозв'язок між процесами випаровування і дифузії............................. 42
Анізотропія форми частинок....................................................................... 42
Моделювання процесів випаровування крапель рідинних систем............... 43
Моделі ґраткового газу ................................................................................ 43
Випаровування крапель, що лежать на підкладці ...................................... 44
Моделювання вертикального випаровування ............................................ 47
1.3. Самоорганізація в системах анізотропних частинок ................................. 48
Статистичні теорії ........................................................................................... 48
Експериментальні моделі вертикальної вібрації ........................................... 50
14
Моделювання самоорганізації ........................................................................ 50
Граткові моделі самоорганізації стрижнів (k-мерів) ..................................... 52
Моделювання динамічної рівноваги........................................................... 53
Явища перколяції і джамінгу....................................................................... 54
Висновки і перспективні проблеми ................................................................... 59
Розділ 2. Матеріали і методи ................................................................................. 61
2.1. Матеріали ..................................................................................................... 61
Наночастинки .................................................................................................. 61
Вуглецеві нанотрубки .................................................................................. 61
Неорганічні нанопластинки лапоніту ......................................................... 61
Інші матеріали ................................................................................................. 63
Поверхнево-активні речовини..................................................................... 63
Барвник метиленовий синій ........................................................................ 63
Рідинні системи............................................................................................ 64
Приготування нанорідинних систем .............................................................. 64
Приготування крапель для експериментів з випаровування......................... 65
2.2. Експериментальні методи ........................................................................... 65
Оптичні мікроскопічні дослідження .............................................................. 65
Аналіз оптичних зображень............................................................................ 65
Атомно-силова мікроскопія ............................................................................ 66
Динаміка випаровування крапель, що лежать на підкладці.......................... 67
Седиментаційна стійкість ............................................................................... 68
2.3. Динамічний метод Монте Карло................................................................. 68
2.4. Статистична обробка результатів ............................................................... 69
Розділ 3. Експериментальні дослідження процесів самоорганізації при
випаровуванні крапель нанорідинних систем, наповнених частинками
анізотропної форми................................................................................................ 71
15
3.1. Випаровування крапель водних нанорідинних систем на основі
нанопластинок лапоніту ..................................................................................... 71
Швидкість випаровування в залежності від об’ємної долі лапоніту............ 72
Картини осадів після повного випаровування крапель................................. 73
Кінетика випаровування крапель ................................................................... 78
Висновки .......................................................................................................... 82
3.2. Випаровування крапель водних нанорідинних систем на основі
вуглецевих НТ..................................................................................................... 83
Кінетика випаровування крапель ................................................................... 84
Морфологічні типи структур сухих осадів .................................................... 85
Аналіз наноструктури «кавового кільця» ...................................................... 89
Висновки .......................................................................................................... 91
3.3. Випаровування крапель нанорідинних систем на основі дисперсій
вуглецевих НТ в органічних розчинниках ........................................................ 92
Стійкість нанорідинних систем на основі вуглецевих НТ в органічних
розчинниках..................................................................................................... 92
Випаровування крапель нанорідинних систем НТ на основі ізопропанолу та
толуолу............................................................................................................. 99
Висновки ........................................................................................................ 100
Розділ 4. Застосування методу Монте Карло для дослідження процесів
дифузійної самоорганізації в рідинних системах, наповнених частинками
анізотропної форми.............................................................................................. 102
4.1. Комп'ютерна модель .................................................................................. 103
Формування RSA конфігурацій.................................................................... 103
Моделювання дифузії.................................................................................... 104
Приклади характерних картин розташування стрижнів ............................. 104
Обчислювані параметри................................................................................ 106
Етапи дифузійної просторової сегрегації (самоорганізації) ....................... 108
16
4.2. Початкова конфігурація r з випадковим просторовим розподілом
стрижнів ............................................................................................................ 109
Кінетика структурних змін ........................................................................... 111
Вплив розміру системи на самоорганізацію ................................................ 116
4.3. Вплив різних початкових конфігурацій на самоорганізацію .................. 118
Висновки до розділу ......................................................................................... 123
Розділ 5. Дослідження процесів самоорганізації при вертикальній сушці
рідинних систем, наповнених частинками анізотропної форми ....................... 126
5.1. Комп’ютерна модель ................................................................................. 127
Броунівська дифузія ...................................................................................... 127
Приклади еволюції картин розподілу стрижнів у процесі випаровування 129
Розрахунки електропровідності.................................................................... 131
Скейлінговий аналіз...................................................................................... 131
5.2. Самоорганізація за відсутності випаровування........................................ 133
Броунівська еволюція картин розташування стрижнів ............................... 133
Профілі параметрів порядку ......................................................................... 134
Число контактів між стрижнями .................................................................. 135
Ефекти динамічної просторової реорганізації............................................. 137
5.3. Самоорганізація під час вертикального випаровування .......................... 137
Вплив довжини стрижнів і швидкості випаровування................................ 137
Розшарування стеків, профілі густини і параметру порядку ...................... 138
Електропровідність ....................................................................................... 141
Висновки до розділу ......................................................................................... 142
Висновки............................................................................................................... 144
Список використаних джерел.............................................................................. 147
Додатки................................................................................................................. 174

Список литературы

ВИСНОВКИ
У результаті проведених досліджень структуроутворення у рідинних
системах системах, наповнених наночастинками з високим ступенем
анізотропії форми (вуглецевими нанотрубками і нанопластинками лапоніту)
методами комп’ютерного моделювання і експериментальних досліджень
можемо зробити такі висновки.
1. В результаті експериментального дослідження випаровування крапель
водних нанорідинних систем на основі нанопластинок лапоніту
встановлено, що при концентраціях менших за 1,5% мас. випаровування
відбувалося у три етапи: випаровування з суцільної рідкої фази (етап I),
випаровування з гелеподібної фази лапоніту, «кавового кільця», що виникає
вздовж периметру краплі (етап II) і утворення щільної гелеподібної фази у
повному об’ємі краплі (етап III). При концентрації нанопластинок вище
1,5% утворювались куполоподібні осади, а структур типу «кавового кільця»
не спостерігалося.
2. Досліджено процеси самоорганізації і утворення структур типу «кавове
кільце» при випаровуванні крапель водних рідинних систем на основі
вуглецевих нанотрубок в присутності катіонної поверхнево-активної
речовини ЦТАБ. В залежності від ступеню покриття вуглецевих нанотрубок
молекулами ЦТАБ FЦТАБ у системах спостерігалося утворення сухих осадів
різних морфологічних типів. Для частково стабілізованих систем
(FЦТАБ ≈ 0,8) формувалися пористі агрегати вуглецевих нанотрубок і
виникало помітне «кавове кільце». Для добре стабілізованих систем при
FЦТАБ > 1 утворювалися структури з широким «кавовим кільцем» та
напівпрозорою досить однорідною плівкою всередині кільця. Однак, при
концентраціях ЦТАБ вище критичної концентрації міцелоутворення
спостерігалося формування неоднорідних структур типу «кавового кільця»
з досить великою непрозорістю у центрі краплі. Дані, отримані за
допомогою атомно-силової мікроскопії свідчать про можливість
145
формування в зоні «кавового кільця» джгутів, які об’єднують окремі
нанотрубки.
3. Показано, що випаровування крапель неводних рідинних систем на основі
ізопропанолу та толуолу, що містять вуглецеві нанотрубки, призводить до
утворення сухих осадів, що не мають виражених структур типу «кавового
кільця». Непрозорість сухих осадів при додаванні неіоногенної поверхневоактивної речовини Тритон Х-165 суттєво залежить від типу дисперсного
середовища, вона збільшується для рідинних систем на основі толуолу, а
для систем на основі ізопропанолу вона збільшується при CX165/CНТ < 0,5 і
зменшується при CX165/CНТ > 0,5. Агрегаційна стійкість рідинних систем при
додаванні Тритон Х-165 підсилюється для систем на основі п-ксилолу
(CX165  1%) та толуолу (CX165  0,3%) і послаблюється для систем на основі
ізопропанолу (CX165  10-2 %).
4. За допомогою методу Монте-Карло вивчено процеси дифузійної
самоорганізації стрижнів (лінійних частинок, k-мерів). Для стрижнів з
довжиною вище певного критичного значення k ≥ 6 дифузійна
самоорганізація призводила до утворення діагональних смугових доменів,
що об’єднують стрижні різних орієнтацій. Скейлінгові дослідження виявили
більшу дефектність діагональних смугових доменів для великомасштабних
систем.
5. При вертикальному випаровуванні спостерігалися процеси самоорганізації і
орієнтаційної сегрегації стрижнів, що контролювалася дифузійним рухом і
процесами випаровування. Випаровування призводило до значного
розшарування і утворення доменів з різною орієнтацією стрижнів. Ступінь
розшарування збільшувалась із збільшенням довжини стрижнів і їх
початкової концентрації. Горизонтально орієнтовані стрижні
концентрувалися переважно біля верхньої та нижньої границь плівок, а
вертикально орієнтовані стрижні концентрувалися всередині плівок. Плівки
утворені внаслідок вертикального випаровування проявляють істотну
146
анізотропію електропровідності, що залежить від швидкості випаровування,
довжини стрижнів і їх початкової концентрації.