научная статья по теме ЭЛЕКТРОКОНВЕКТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ, ФОРМИРУЮЩИЕСЯ В СЛОЕ МАГНИТНОГО КОЛЛОИДА Химия

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОКОНВЕКТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ, ФОРМИРУЮЩИЕСЯ В СЛОЕ МАГНИТНОГО КОЛЛОИДА»

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 77, № 1, с. 19-23

УДК 544.77.03+537.36

ЭЛЕКТРОКОНВЕКТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ, ФОРМИРУЮЩИЕСЯ В СЛОЕ МАГНИТНОГО КОЛЛОИДА © 2015 г. Ю. И. Диканский, А. Р. Закинян, М. И. Коробов

Северо-Кавказский федеральный университет 355009 Ставрополь, ул. Пушкина, 1 E-mail: zakinyan.a.r@mail.ru Поступила в редакцию 30.05.2014 г.

Экспериментально исследованы процессы образования ячеистых и лабиринтных электроконвективных структур в тонком слое магнитного коллоида под действием постоянного электрического поля. Измерено время образования структур, показано, что оно убывает с увеличением электрического поля и росте электрической проводимости среды. Установлено, что постоянное магнитное поле, сонаправленное с электрическим полем, уменьшает время образования электроконвективных структур, а также величину критического электрического поля, при котором они возникают.

БО1: 10.7868/80023291215010061

ВВЕДЕНИЕ

Взаимодействие коллоидных систем с электрическими полями, несмотря на давнюю историю его исследования, все еще нельзя считать изученным в полной мере. В последнее время был выполнен ряд исследований особенностей формирования комплексных структур в тонких слоях различных коллоидных систем при развитии в них течений, возникающих под действием электрического поля [1—3].

Новые возможности для развития исследований подобного рода открывают магнитные коллоиды, способные эффективно взаимодействовать как с электрическим, так и с магнитным полем. В частности, открывается возможность изучения процессов самоорганизации магнитных микро- и наночастиц и образования мезомасштабных структур [4—6].

Ранее уже проводили исследования ряда гидродинамических, а также кинетических свойств магнитных коллоидов в электрическом и магнитном полях [7—9]. В работах [10—14] было также показано, что в электрическом поле в тонких слоях магнитных коллоидов могут формироваться упорядоченные микроструктуры. Разумно предположить, что эти структуры подобны образующимся в немагнитном коллоиде [1—3] и являются результатом развития конвективных течений под действием приложенного электрического поля. В данной работе представлены результаты новых исследований процесса образования электроконвективных структур в тонком слое магнитного коллоида. Основное внимание уделено влиянию магнитного поля на процесс структурообразова-ния под действием электрического поля.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследования являлся магнитный коллоид, дисперсная фаза которого представляла собой наночастицы магнетита (размером ~10 нм), а дисперсионной средой являлся керосин. Коллоид был стабилизирован олеиновой кислотой. Объемная концентрация твердой фазы составляла ~23%, эффективная начальная магнитная восприимчивость ц ~ 5.6, эффективная диэлектрическая проницаемость е « 7.

Для исследования динамики образования структурных неоднородностей в магнитном коллоиде использовалась установка, схема которой представлена на рис. 1. Необходимое электрическое поле создавалось парой прозрачных электродов, на которые подавалось постоянное напряжение. Пространство между электродами заполнялось исследуемым коллоидом. Толщина слоя составляла ~100 мкм. Изучали влияние магнитного поля на электроконвективные процессы и структурообразование в слое магнитного коллоида. Для этого подавалось создаваемое парой катушек Гельмгольца постоянное магнитное поле, параллельное электрическому.

Для наблюдения структур и определения критических электрических полей, являющихся нижней границей их образования, использовались прямые визуальные наблюдения с помощью оптического микроскопа. Кроме того, дополнительная информация о структурной трансформации коллоида при воздействии внешних полей был получена по данным о рассеянии света тонкими слоями коллоида. Для этого перпендикулярно слою магнитного коллоида пропускался луч лазера (длина волны 640 нм). Интенсивность

19

2*

20

ДИКАНСКИЙ и др.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — пара прозрачных электродов, 2 — катушки Гельмгольца, 3 — гелий-неоновый лазер, 4 — фотодетектор.

света, рассеянного в результате дифракции на структурных образованиях, регистрировалась с помощью фотоприемника. Мощности лазерного излучения была достаточно малой, чтобы не оказывать влияния на структуру и динамику коллоидной системы.

В опытах использовались магнитные коллоиды с различной электрической проводимостью, значения которой находились в пределах 0.87— 1.22 мкСм/м. Изменение проводимости достигались путем введения в среду малых количеств ионизирующих керосин добавок (в основном, кристаллического йода), существенным образом изменяющих проводимость и практически не влияющих на остальные электрические и магнитные свойства жидкости.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Примеры структур, возникающих в слое магнитного коллоида под действием постоянного электрического поля, при различных значениях проводимости жидкости и приложенного напря-

Рис. 2. Вид структур, образующихся при воздействии электрического поля: (а) — и = 2.5 В, ст = 1.05 мкСм/м; (б) — и= = 4.5 В, ст = 1.05 мкСм/м; (в) - и = 2.5 В, ст = 1.22 мкСм/м.

1/1тах 1.0

(а)

150 ?, с

Рис. 3. Динамика рассеяния света на образующихся структурах в отсутствие магнитного поля: (а) - и = = 3.0, (б) - и = 4.0, (в) - и = 5.0 В; ст = 1.05 мкСм/м.

1.0

0.8 -

0.6 -

0.4 -

0.2 П 1 0 -

1.0 г

0.8 -

0.6 -

0.4 -

0.2 -

0

1.0 г

0.8 -

0.6

0.4 - •

0.2 - •

0 25

(а)

(б)

(в)

50 75 100 125 150 175 200

с

Рис. 4. Динамика рассеяния света на образующихся структурах при воздействии магнитного поля: (а) -Н = 0, (б) - Н = 1.6, (в) - Н = 3.2 кА/м; и = 2.5 В, ст = = 1.05 мкСм/м.

жения, представлены на рис. 2. Было установлено, что существует некоторое критическое значение электрического напряжения ис, ниже которого структуры не образуются и среда остается однородной. По мере увеличения напряжения выше критического, возникающие образования сначала формируют ячеистую структуру (рис. 2а), близкую к гексагональной; при дальнейшем увеличении поля ячейки начинают объединяться с образованием лабиринтных структур (рис. 2б). Отличие структур от гексагональных, по всей видимости, связано с искажающим влиянием неровностей поверхности электродов. Увеличение проводимости среды производит эффект, аналогичный увеличению электрического поля: структура ячеек все больше становится похожей на лабиринтную (рис. 2в).

Установлено, что образование структур в коллоиде при подаче на ячейку напряжения выше критического происходит по истечении некото-

рого промежутка времени, зависящего от величины напряжения. Иллюстрацией этого могут быть приведенные на рис. 3 графики зависимости относительной величины интенсивности рассеянного света от времени после подачи напряжения различной величины на электроды ячейки.

Визуальные наблюдения в оптический микроскоп выявили, что при включении электрического поля на начальном этапе жидкость остается однородной, затем в жидкости начинают образовываться "инородные центры" более концентрированной фазы с размытыми границами. В дальнейшем эти центры образуют ячеистую структуру, и постепенно граница между концентрированной и "разбавленной" фазами становится более резкой. Максимум на кривой зависимости интенсивности рассеяния света от времени соответствует моменту образования структур, но без резких границ между ними. По всей видимо-

22

ДИКАНСКИИ и др.

Uc, В

2.0

3 4

H, кА/м

Uc, В

8

ï

0.9

1.0

1.1 1.2 ст, мкСм/м

Рис. 5. Зависимость критической разности потенциалов от магнитного поля; ст = 1.05 мкСм/м.

Рис. 6. Зависимость критического электрического поля от проводимости среды.

6

4

2

сти, такая конфигурация вызывает наиболее сильное рассеяние света. Таким образом, по зависимости интенсивности рассеяния света от времени после включения поля можно определить характерное время образования структур. Как видно из рисунка, время образования структур уменьшается при увеличении напряжения.

Динамика рассеяния света на возникающих структурах при дополнительном воздействии на среду магнитного поля показана на рис. 4. Видно, что при воздействии магнитного поля характерные времена также уменьшаются. В ходе экспериментов были проведены измерения критического электрического поля, в зависимости от приложенного магнитного поля. Полученные данные представлены на рис. 5. Также была исследована зависимость критического электрического поля от проводимости жидкости. Эти данные приведены на рис. 6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наблюдающаяся в представленных опытах объемная электроконвекция не связана напрямую с наличием в среде коллоидных частиц, они играют роль пассивных индикаторов возникающих устойчивых течений. Описанные выше структуры являются проявлением ламинарных электроконвективных течений, которые, при увеличении электрического поля, переходят в турбулентный режим, что также наблюдалось в экспериментах. Время образования структур в слое магнитного коллоида и критическое электрическое поле, при котором они возникают, должны соответствовать характерному времени развития электроконвек-

тивной неустойчивости и критической напряженности электрического поля, при которой она возникает. Дополнительная ионизация среды приводит к интенсификации наблюдающихся электроконвективных течений. Воздействие внешнего магнитного поля создает пондеромо-торные силы в объеме коллоида, которые стимулируют развитие электроконвективных течений, приводя к уменьшению характерного времени образования структур, а также к уменьшению величины критического электрического поля.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 14-03-00312-а), а также Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания на выполнение работ в сфере научной деятельности (проект № 2014/216).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Han Y, Grier D.G. // J. Chem. Phys. 2005. V. 122. P. 164701.

2. Han Y, Grier D.G. // J. Chem. Phys. 2006. V. 125. P. 144707.

3. Han Y, Grier D.G. // J. Chem. Phys. 2012. V. 137. P. 014504.

4. Chekanov V.V., Iljuch P.M., Kandaurova N.V., Bondarenko E.A. // J. Magn. Magn. Mater

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком