27 марта 2016г.
Абстракт.
В настоящей работе были проведены исследования морфологии коллоидных частиц в винных материалах. Для исследования был использован микроскоп модель Dino-Lite с большим увеличением, который позволяет увидеть детали величиной до 1,5 микрометров (мкм).
Процесс самоорганизации коллоидных частиц в суспензиях.
Самоорганизация коллоидных частиц. Тонкие плѐнки, состоящие из 2- 3 структур, из коллоидных частиц, нанесѐнных на субстрат (подложка на стекле) могут служить для выполнения широкого ряда функций. Одним из наиболее практичных методов упорядочивание коллоидных частиц является процесс нанесения раствора и его высушивания. Это типичный метод "снизу-вверх" основанный на принципе самоорганизации коллоидных частиц в растворе. Механизм самоорганизации, наблюдаемый повсюду в естественных условиях до сих пор не вполне понятен. Понимание механизмов самоорганизации в природе может помочь разработке коллоидных материалов с инженерной точки зрения. В результате возможно внедрение инновационных технологий коллоидной обработки для производства виноматериалов. Контроль коллоидной структуры является необходимым условием создание сложно функциональных материалов. Фактически коллоидные структуры характерны для функциональных материалов были получены случайно. Это тоже самое, что искусство приготовление яды приготовленной не в виде рецептов, а в виде личного опыта повара.
Для производства плѐнок коллоидных частиц используются процессы нанесения покрытия и высушивания. Процесс нанесения покрытия делятся на два типа: непрерывное нанесение покрытия (так называемое матричное нанесение) и прерывистое нанесение покрытия. В нашем случае мы используем прерывистую систему нанесения покрытия. Вопрос динамики агрегации частиц суспензии в условиях равновесного состояния хорошо изучен в сфере коллоидных исследований. Однако существует лишь небольшое количество работ в которых рассматриваются одновременно равномерное распределение и формы агрегатов (большие частицы). Агрегации мелких частиц является типичным примером самоорганизации поэтому предсказания как размера, так и формы агрегатов становится ключевым моментом. Структура агрегатов из коллоидных частиц влияет на физические свойства, такие как оптическая прозрачность, механическая прочность и электропроводность. В этом случае необходим тщательный контроль между мелкими частицами (диспергированием) и агрегацией.
Существует два метода самоупорядочивания:
1 -й метод самосборка - происходит вблизи точки равновесие, между раствором и твѐрдой фазой 2-ая – самоорганизация - происходит в неравновесном состоянии, далеко от точки равновесия.
При равновесной самосборке, как правило образуется упорядоченная структура, похожая на монокристалл. Упорядоченная структура образуется в результате тонкого сочетания гидрофильных и гидрофобных характеристик, а также за счѐт взаимодействия положительных и отрицательных электрических потенциалов. Формирование сложных структур из коллоидных частиц в процессе нанесения и сушки зависит главным образом от баланса между временем высушивания и временем диффузией частиц. Время высушивания представляет собой разновидность времени гашения необходимого для образования структуры коллоидной частицы. Короткое время гашения приводит к образованию поликристаллов. Механизм формирования упорядоченной структуры путѐм самоорганизации пока ещѐ плохо понятен, из-за высокой степени неравновесности (отсутствие равновесия).
Коллоидные частицы движутся в жидкости в соответствии с законом Ньютона под действие различных типов сил. Горизонтальная капиллярная сила обусловлена деформацией свободной поверхности вызванной взаимодействием между коллоидными частицами и растворителем. А так же электрическая сила обусловленная поверхностным зарядом коллоидной частицы.
Броуновская сила, основанная на молекулярном движении растворителя, может быть смоделирована как случайная сила.
Конструкция прибора для изучения процессов кристализации.
При использовании микроскопа в обычном режиме не удалось обнаружить особенностей кристаллизации материала. Это было связанно с большой толщиной образца, поэтому для дальнейших экспериментов была выбрана толщина, не превышающая 10 микрон. Как правило такие образцы возникают на границе стекла и кристаллизуемого образца. Для улучшения процесса наблюдения я предложила использовать полированную светоотражающую стальную пластину. В этом случае образец наблюдался как в отражѐнном, так и в проходящем свете, т.е. подсветка существовала с двух сторон, что позволяло чѐтко увидеть особенности кристаллизации полученных образцов.
Изучение морфологии кристаллизуемых образцов и теоретическое объяснение полученных результатов.
Для объяснения проведѐнных исследований мы выбрали модель, предложенную японскими учѐными по изучению коллоидных структур. В основу этой модели введены простые рассуждения и два понятия:
1. Изотропный коэффициент упорядочения (ИКУ) характеризующую пространственную изотропию упорядоченных коллоидных частиц.
2 .Безразмерная длинна границы (БДГ) определяется для количественной характеристики глобальной структуры самоорганизованных коллоидных частиц.
Значение параметра БДГ равно 1, если все частицы диспергированы. Построим график зависимости между ИКУ и БДГ
Поскольку БДГ и ИКУ показывает степень дисперсии и упорядочивания соответственно, мы попытаемся оценить структурные изменения, происходящие в ходе высушивания проследив изменение графика от точки А до точки F. Первая структура А представляет собой просто начальное неупорядоченное состояние, при низкой ИКУ с небольшой степенью агрегации при высоком БДГ.
Точка А
Точка А имеет характерный вид – кристаллы, мелкие по размеру, приблизительно 20 Мк., равномерно распределены по всей площади. Представляет собой простое начальное неупорядоченное состояние, при низкой ИКУ, с небольшой степенью агрегации, при высоком БДГ.
Быстрая кристаллизация. На данном этапе высыхание системы произошло довольно быстро и образовались мелкие кристаллы.
Точка В
Точка В демонстрирует процесс упорядочивания.
Началось укрупнение кристаллов. Скорость высыхания замедлилась.
Точка С
Через некоторое время, по мере уменьшения толщины слоя жидкости, достигается момент образования пустот и начала агрегации из-за возникновения мощных сил притяжения, обусловленные возрастающими капиллярными силами.
Точка D
Точка D показывает, что начинает образовываться упорядоченная структура с неизменным ИКУ. Здесь мы отчетливо видим начало кристаллизации коллоидных частиц.
Точка E
Точка Е уже имеет протяженные структуры. Кластеры образовывают скопление нитей, которые переплетаются в структуры.
Точка F
У точки F мы видим максимальное упорядочивание.
Упорядоченная структура образуется в результате тонкого сочетания гидрофильных и гидрофобных характеристик, а также за счѐт взаимодействия положительных и отрицательных электрических потенциалов. Здесь образовались круглые структуры, а также протяжѐнные сферы, пронизывают всю толщину раствора. Мы это отчетливо видим в ультрафиолете, так как они уменьшаются.
Вывод.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1 Установлено, что все силы, рассмотренные в настоящем разделе, могут выступать в качестве основного фактора в процессе нанесения покрытия-высушивания. Поскольку величина каждой силы заметно изменяется в ходе испарения растворителя, для моделирования коллоидных частиц в ходе высушивания необходимо применение многомерной и меж дисциплинарной предложенной модели.
2 Упорядоченная структура коллоида - это самоорганизованная структура, которая определяется балансом между различными видами сил.
3 Впервые в ультрафиолетовом диапазоне показано изменение поверхности коллоидных частиц при приготовлении виноматериала для плодового вина в зависимости от скорости испарения жидкой составляющей.
4 Показаны начальная и конечная точки. В конечной точке F наблюдается упорядоченная структура коллоидного агрегата, которая образовалась из-за низкой скорости испарения жидкой составляющей.
5 Настоящие исследования позволяет приоткрыть процессы двумерной самоорганизации коллоидных частиц, что является необходимым условием для внедрения методов разработки коллоидной структуры виноматериалов.
