CC BY
6МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
ДИНАМИКА КАПИЛЛЯРНЫХ ЭФФЕКТОВ В ВОДЕ ПОСЛЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ
Кернбах С.1, Першин С.М.2
'CYBRES GmbH, Research Center of Advanced Robotics and Environmental Science,
Штутгарт, Германия 2Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва
Капиллярные эффекты играют важную роль в биологических системах, таких как аквапориновые каналы [1], транспортировка воды растениями [2], кровообращение, а также в некоторых прикладных областях. В ряде публикаций [3,4] было показано, что спиновая конверсия пара- и орто- изомеров воды меняет не только электрохимическую реактивность [5], но и поверхностное натяжение. Таким образом, ожидается, что спиновые механизмы могут иметь важные биологические и инженерные проявления в случаях капиллярных явлений. В работе исследуется капиллярная динамика дистиллированной воды после гидродинамической кавитации. Оптическая и ЯМР-спектроскопия подтверждают, что кавитация смещает неравновесное отношение спиновых изомеров. В частности, было показано, что кавитация обогащает воду орто-изомерами на 12%-15% за счет коллапса кавитационных пузырьков и перехода воды через сверхкритическое состояние.
В эксперименте использовали капилляры диаметром 0,3 и 0,5 мм с дифференциальным измерением высоты подъёма мениска (контроль-эксперимент). Перед измерениями пробы воды проходили этапы дегазации и выравнивания температуры. Ожидается, что неравновесное состояние изомеров воды будет существовать в льдоподобных структурах вблизи границ раздела воды и особенно на границе раздела воздух-вода. Эксперименты с испарением воды [6] поддерживают аргументы в пользу неравновесной динамики спиновых изомеров в приграничных слоях. Чтобы исследовать эту проблему, пробы воды собирались с поверхностного слоя с глубины погружения около 0.1мм, а также 2 мм и 10 мм.
Обнаружена разница поверхностного натяжения (см. подъем мениска) в 6,7%-11,3% до максимальных 15,7% между контрольным и опытным образцами. При этом существенным является глубина взятия проб, например поверхностный слой дает дифференциальную высоту 7.34±1.86 мм, глубина 2мм уже только 4.35±1.01 мм. Эти эффекты в приповерхностных слоях наблюдаются через 30-60 минут после возбуждения. Отметим, что аномально длительная релаксация на 15 порядков превышает время переключения водородных связей. Образцы, взятые с поверхности, также демонстрируют капиллярное движение примерно в 2 раза продолжительнее, чем контрольные; их значения являются наибольшими во всей серии экспериментов. Был зафиксирован интересный эффект остановки жидкости в капиллярных трубках, наблюдаемый в основном в экспериментальных образцах, где мениск останавливался в начале капилляра и осциллировал на уровне 0,05-0,1 мм. Разработанный подход имеет два основных применения: 1- быстрый и экономичный детектор спиновых явлений, влияющих на вязкость и поверхностное натяжение; 2- в системах транспортировки воды растений, в фитосенсорах, в частности, при измерении сокодвижения, а также в гидропонном производстве.
[1] АК. Murata, K. Mitsuoka, T. Hirai, T. Walz, P. Agre, J. Heymann, A. Engel, Y. Fujiyoshi, Structural determinants of water permeation through aquaporin-1, Nature 407 (2000) 599-605. doi:10.1038/35036519.
[2] V Rolland et al, Easy come, easy go: Capillary forces enable rapid refilling of embolized primary xylem vessels, Plant Physiology 168 (4) (2015) 1636-1647. doi:10.1104/pp.15.00333.
[3] S. Pershin, Conversion of ortho-para H2O isomers in water and a jump in erythrocyte fluidity through a microcapillary at a temperature of 36.6±0.3c, Physics of Wave Phenomena 17 (2009) 241-250. doi:10.3103/S1541308X09040025.
[4] S. Kernbach, Electrochemical characterisation of ionic dynamics resulting from spin conversion of water isomers, Journal of The Electrochemical Society 169 (6) (2022) 067504. doi:10.1149/1945-7111/ac6f8a.
[5] A. Kilaj, H. Gao, D. R'osch, U. Rivero, J. K'upper, S. Willitsch, Observation of different reactivities of para-and ortho-water towards cold diazenylium ions, Nat Commun. 9 (1) (2018) 2096. doi:10.1038/s41467-018-04483-3.
[6] S. Poulose, M. Venkatesan, M. Mobius, J. Coey, Evaporation of water and urea solution in a magnetic field; the role of nuclear isomers, Journal of Colloid and Interface Science 629 (2023) 814-824. doi:10.1016/j.jcis.2022.09.021
