Применение оптоакустического метода для исследования коллоидных растворов

NovaInfo 34, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Химические науки
Просмотров за месяц: 0
CC BY-NC

Аннотация

В работе измерены осциллограммы оптоакустического сигнала для серии растворов, содержащих диоксид кремния в качестве рассеивателя и раствор метиленового красного в качестве поглотителя излучения. Показано, что наблюдается увеличение эффективного показателя поглощения при увеличении концентрации метиленового красного. Результаты обработаны с использованием теории переноса излучения с определением удельного коэффициент поглощения метиленового красного и удельного коэффициент рассеяния диоксида кремния. Полученные значения согласуются с определенными стандартными способами и рассчитанными в рамках теории Ми.

Ключевые слова

КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ, ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПТОАКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД, МЕТИЛЕНОВЫЙ КРАСНЫЙ

Текст научной работы

Область применения методов спектроскопии светорассеивающих систем [1-3] включает мониторинг природных и технических объектов, способных как рассеивать, так и поглощать свет. Данные проблемы возникают при решении экологических проблем [4] зондировании атмосферы, анализе биологических объектов и пищевых продуктов, изучении и оптимизации солнечных батарей, оптических детонаторов и др. [5-9]. Исследование подобных образцов часто требует разработки нетривиальных подходов, включающих использование фотометрического шара [5], измерения интенсивности при варьировании угла зондирования и др. Одним из способов оценки показателя поглощения вещества в данных ситуациях является оптоакустический метод [10-11]. Метод основан на термооптическом возбуждении ультразвуковых волн в среде при поглощении в ней импульсного лазерного излучения. Метод имеет большие перспективы для измерения оптических свойств концентрированных растворов, которые не представляются возможным исследовать стандартными спектроскопическими методами. В работе [10] метод был применен для исследования мутных сред в качестве которых выступали суспензии диоксида титана и полистирола в воде. Было показано, что наблюдаемый показатель поглощения оказывается прямо пропорциональным квадратному корню из концентрации светорассеивающих частиц.

Цель работы: исследование оптоакустических сигналов окрашенных коллоидных растворов имеющих сопоставимые показатели рассеяния и поглощения. Задачи работы: измерение оптоакустических сигналов для коллоидных растворов, содержащих краситель; обработка результатов эксперимента, определение наблюдаемых показателей поглощения; обработка зависимости наблюдаемого показателя поглощения от концентрации красителя в рамках теории переноса излучения.

Объектом исследования служила серия растворов, содержащих рассеиватель и поглотитель излучения. В качестве рассеивателя использовали порошок диоксида кремния (SiO2) со средним радиусом частиц равным 50 нм. Порошок был приобретен у компании Plasmotherm и использовался без дальнейшей очистки или модификации. В качестве растворителя применялась смесь этиловый спирт — глицерин в соотношении 1:1 по объему. Готовились четыре образца, с одинаковым количеством диоксида кремния равным 0,1 г и различными концентрациями раствора метиленового красного. Диоксид кремния взвешивали на аналитических весах, с точностью до 0,0001 г. и переносился в чистую сухую пробирку. Затем к порошку диоксида кремния пипеткой (максимальный объем 5 мл) добавляли различные объемы исходного раствора метиленового красного с концентрацией 0.1 и 0.5 мг/мл в смеси этиловый спирт — глицерин. В результате были получены образцы с концентрациями 0,06; 0,1; 0,2 и 0,5 мг/мл. Растворы перемешивались с помощью стеклянной палочки и затем помещались в ультразвуковую ванну (мощность 50 Вт, частота 35 кГц) для дальнейшей гомогенизации.

В качестве источника излучения использовался YAG:Nd3+ лазер, работающий в режиме модуляции добротности на второй гармонике (λ = 532 нм) [12-13]. Длительность импульса на половине амплитуды равнялась 12 нс. В эксперименте использовалась энергия лазера энергия импульса 12 мДж, диаметр пучка составлял 2,5 мм [14-15]. Выбор энергии излучения определялся тем, что с одной стороны, она не приводила к повреждению образцов во время импульса, с другой стороны, была достаточной для получения осциллограмм акустического сигнала. Для измерений использовали оптико-акустический преобразователь из керамики ЦТС-19. Регистрация сигнала детектора производилась осциллографом Tektronix TDS 7404B [16].

Для измерений пробы объемом 0,2 мл помещались в цилиндрическую полость в дюралюминиевой задержке оптоакустичекого датчика. Глубина емкости составляла 7 мм, проба заполняла емкость до уровня 5 мм. Каждая проба облучалась не менее трех раз с фиксацией осциллограмм оптоакустического сигнала.

Общий вид осциллограммы оптоакустического сигнала
Рисунок 1. Общий вид осциллограммы оптоакустического сигнала

На рис. 1 приведена осциллограмма оптоакустического сигнала, измеренная при концентрации метиленового красного 0.1 мг/мл. Остальные полученные осциллограммы имели подобный вид. Сигнал показан в инвертированном виде. На кривой выделяется начальный участок увеличения давления, связанный с приходом звуковой волны, сгенерированной при термическом расширении слоя среды, в котором произошло поглощение энергии лазерного излучения на датчик. Далее следует набор осцилляций, вызванных отражением волны от конструкционных элементов. Информацию о распределении поглощенной энергии несет первый участок возрастания сигнала. По точке пересечения сигнала с осью времени определялась скорость звука в образце.

Процедура обработки осциллограмм включала устранение шумов методом скользящего окна; автоматическое определение положения первого максимума на кинетической зависимости, аппроксимация сигнала от 5 до 50% амплитуды экспоненциальной функцией, в том числе при спрямлении в полулогарифмических координатах.

На рис. 2 представлена аппроксимация кинетической зависимости сигнала линейной функцией в полулогарифмических координатах. Как можно заметить из рис. 2 зависимость в полулогарифмических координатах может быть аппроксимирована прямой, это означает, что сигнал может быть описан экспоненциальной зависимостью.

Зависимость интенсивности сигнала от времени в полулогарифмических координатах. 1 — эксперимент, 2 — аппроксимация линейной функцией.
Рисунок 2. Зависимость интенсивности сигнала от времени в полулогарифмических координатах. 1 — эксперимент, 2 — аппроксимация линейной функцией

Для каждой осциллограммы определялись амплитуда максимума сигнала, эффективная константа роста сигнала на начальном участке и сумма квадратов отклонений теоретического и экспериментального сигналов, которая использовалась для оценки точности аппроксимации (как в работах [17-18]).

Результаты обработки для всех проведенных измерений приведены в таблице 1. Полученные значения эффективной константы лежат в диапазоне от 1,5·106 до 7,5·106 с-1. При увеличении концентрации растет как амплитуда сигнала, так и эффективная константа нарастания сигнала. Величина скорости звука составила 1.92 км/с.

Таблица 1. Результаты измерений

N

С, мг/мл

Um, мВ

a, мкс-1

1

0.06

2.87

1.48

2

0.06

5.84

1.78

3

0.06

6.39

1.71

4

0.06

6.39

1.73

5

0.1

5.95

1.88

6

0.1

6.21

2.05

7

0.1

6.28

2.04

8

0.1

6.67

2.08

9

0.2

7.01

3.77

10

0.2

7.29

3.86

11

0.2

7.54

3.52

12

0.5

18.10

6.46

13

0.5

16.59

6.46

14

0.5

17.54

6.71

Зависимость эффективного показателя поглощения от концентрации метиленового красного. 1 — эксперимент, 2 — расчет.
Рисунок 3. Зависимость эффективного показателя поглощения от концентрации метиленового красного. 1 — эксперимент, 2 — расчет

По полученным величинам эффективной константы роста сигнала были определены средние значения эффективного показателя поглощения, которые приведены на рис. 3.

Для дальнейшей обработки экспериментальных данных был проведен поиск параметров модели переноса излучения в рассеивающей среде, в качестве которых выступали удельный коэффициент рассеяния для диоксида кремния и удельный коэффициент поглощения для метиленового красного. Расчет проводился следующим образом. Решалось уравнение переноса излучения методом сферических гармоник с френелевскими граничными условиями [19-20] при каждом значении концентрации метиленового красного. Из решения определялись наблюдаемые показатели поглощения, которые сравнивались с экспериментом. Поиск наилучшего описания проводился при помощи минимизации суммы квадратов отклонений [5].

В результате была получена зависимость эффективного показателя поглощения от концентрации метиленового красного. Точками обозначен эксперимент, линией теоретический расчет при данных параметрах. Наблюдается хорошее согласие теоретической и экспериментальной зависимости при значении удельного коэффициента поглощения метиленового красного E_MeR=53,7 см2/мг и удельного коэффициента рассеяния света наночастицами диоксида кремния E_SiO2=229,8 см2/г. В области больших концентраций зависимость имеет прямолинейный характер. В области малых концентраций зависимость получена не была, в силу ограничений методики. Однако она должна явно отклоняться от линейности. Во-первых, экстраполяция линейного участка в области низких концентраций приведет к отличию от нуля наблюдаемого показателя поглощения для рассеивающего, но не поглощающего, раствора. Во-вторых, согласно диффузионному приближению, которое должно работать в области малых концентраций, наблюдаемый показатель поглощения должен быть пропорционален квадратному корню из концентрации. Следует отметить, что измерения проведены в области сопоставимых значений показателей поглощений и рассеяния. В частности, в точке номер три их значения практически совпадают.

Рассмотрим разумность полученных параметров. Для этого в рамках теории Ми [21-23] была вычислена зависимость удельного коэффициента рассеивания от радиуса наночастиц диоксида кремния в среде с показателем преломления, равным среднему арифметическому для табличных значений показателей преломления этилового спирта и глицерина. Удельный коэффициент рассеяния для наночастиц диоксида кремния с радиусом 50-60 нм лежит в интервале E_SiO2=200-300 см2/г, удельный коэффициент поглощения для метиленового красного в спирте, измеренный на спектрофотометре Shimadzu UV-2450, составил E_MeR=41.75 см2/мг. Значения, полученные при обработке оптоакустического эксперимента неплохо согласуются с рассчитанными и измеренными стандартными методами, учитывая, что использовался другой растворитель.

Заключение

Проведены измерения оптоакустических сигналов, инициируемых излучением неодимового лазера в коллоидных растворах, содержащих метиленовый красный и наночастицы диоксида кремния. При обработке результатов эксперимента определены эффективные показатели поглощения коллоидных растворов. Зависимость эффективного показателя поглощения удовлетворительно описывается в рамках теории переноса излучения при значениях удельных показателей поглощения метиленового красного E_MeR =53.7 см2/мг и рассеяния диоксида кремния E_SiO2=229.8 см^2/г. Полученные значения параметров согласуются с оцененными в рамках теории Ми (E_SiO2) и измеренными в близких условиях (E_MeR). Оптоакустический метод имеет значительный потенциал в области спектроскопии сильнопоглощающих и светорассеивающих систем.

Работа выполнена при поддержке гранта президента РФ (МК-4331.2015.2). Авторы выражают глубокую благодарность научному руководителю к.ф-м.н. А.А. Звекову.

Читайте также

Список литературы

  1. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Фурега Р.И. и др. Взрывчатое разложение тэна с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // Химическая физика. 2013. Т. 32. № 8. С. 39-42.
  2. Каленский А.В., Ананьева М.В., Никитин А.П. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11-1(43). С. 5-13.
  3. Каленский А.В., Звеков А.А., Ананьева М.В. и др Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.
  4. Халиков Р. М. Технологические схемы решения экологических проблем регионального производства материалов // Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 3 (03). С. 10.
  5. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. , Белокуров Г. М. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // Журнал технической физики. 2014. Т. 84. № 9. С. 126-131.
  6. Ananyeva M.V., Kriger V.G. и др. Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms// Известия ВУЗов. Физика. 2012. Т. 55. № 11-3. С. 13-17.
  7. Kalenskii A.V., Kriger V.G., Zvekov A.A. и др. The microcenter heat explosion model modernization //Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55. № 11-3. С. 62-65.
  8. Ананьева М.В., Каленский А.В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра //Молодой ученый. 2014. № 19. С. 52-55.
  9. Ananyeva M.V., Kalenskii A.V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // Журнал СФУ. Серия: Химия. 2014. Т. 7. №4. С. 470-479.
  10. Карабутов А. А., Пеливанов И. М., Подымова Н. Б, Скипетров С. Е. Измерение оптических характеристик рассеивающих сред лазерным оптико-акустическим методом // Квантовая электроника. 1999. Т. 29. №3. С. 215-220.
  11. Гусев В. Э, Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991. С. 304.
  12. Kalenskii A.V., Ananyeva M.V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate -aluminium nanosystems initiated by the laser pulse // Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 6. С. 803-810.
  13. Ананьева М.В., Каленский А.В., Гришаева Е.А. и др. Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. 2014. № 1-1(57). С. 194-200.
  14. Лукатова С.Г., Одинцова О.В. Взрывное разложение композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами золота // Вестник КемГУ. 2014. № 4-2(60). С. 218-222.
  15. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Определение пространственных характеристик волны цепной реакции в азиде серебра // Химическая физика. 2014. Т. 33. № 8. С. 22–29.
  16. Боровикова А.П., Кригер В.Г., Каленский А.В. и др. Закономерности распространения реакции взрывного разложения кристаллов азидов серебра и свинца//Ползуновский вестник. 2008. № 3. С. 66-70.
  17. Каленский А.В., Кригер В.Г., Ананьева М.В. Размерный эффект взрывного разложения азида серебра импульсным излучением //Современные проблемы науки и образования. 2006. № 2. С. 40-41.
  18. Каленский А.В., Кригер В.Г., Ананьева М.В., Боровикова А.П. Механизм зарождения и распространения реакции взрывного разложения АТМ //Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2007. Т. 4. № 2. С. 114-118.
  19. Zvekov A. A., Ananyeva M. V., Kalenskii A. V., Nikitin A. P. Regularities of light diffusion in the compo site material pentaery thriol tetranitrate – nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 5. С. 685-691.
  20. Звеков А. А., Каленский А. В., Никитин А. П., Адуев Б. П., Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами, содержащей наночастицы алюминия // Компьютерная оптика. 2014. Т. 38. № 4. С. 749–756.
  21. Лукатова С. Г. Расчет коэффициентов эффективности поглощения для композитов золото-тэн на второй гармонике неодимового лазера // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2014. №1(12). С. 95 – 98.
  22. Каленский А.В., Звеков А.А., Никитин А.П. и др. Особенности плазмонного резонанса в наночастицах различных металлов // Оптика и спектроскопия. 2015. Т. 118. № 6. С. 1012-1021.
  23. Газенаур Н.В., Зыков И.Ю., Каленский А.В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. 2014.№5. С. 89-93.

Цитировать

Корж, М.Г. Применение оптоакустического метода для исследования коллоидных растворов / М.Г. Корж, М.П. Пидгирный. — Текст : электронный // NovaInfo, 2015. — № 34. — URL: https://novainfo.ru/article/3694 (дата обращения: 16.05.2022).

Поделиться