ПОЛИМЕРНАЯ ПРИРОДА ОБОЛОЧКИ РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ФИЗИКА (PHYSICS)

Сухоносов В.Я.

канд. физ.-мат. наук [email protected]

(г. Обнинск, Россия)

ПОЛИМЕРНАЯ ПРИРОДА ОБОЛОЧКИ РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА

Аннотация: из совокупности основных экспериментальных данных по свойствам ридберговского сфероида сделан вывод, что оболочка сфероида является водным полимером ридберговских молекул, находящимся в обратимом высокоэластическом состоянии. Полимер образуется в результате конденсации ридберговских молекул воды с полимеризацией гексагональных кластеров. Из - за большого поверхностного натяжения пленка полимера принимает форму сфероида.

Показано, что резиноподобная оболочка сфероида при взаимодействии с твердой поверхностью может проявлять как упругие свойства, так и ползучесть. Эти процессы определяются соотношением времени действия силы на оболочку сфероида и временем релаксации деформации оболочки. Разрыв части водородных связей с образованием дырок на оболочке и их залечивание с течением времени изменяют топологический инвариант поверхности оболочки, что вызывает трансформацию пространственных структур таких, как сфероид и тор.

Ключевые слова: ридберговский сфероид, оболочка сфероида, водяной полимер, упругая деформация, ползучесть.

ВВЕДЕНИЕ.

Ридберговский сфероид имеет структуру: тонкая упругая оболочка -ядро, состоящее из аэрозоля ридберговских молекул [1]. Оболочка обладает высокой эластичностью и способна образовывать складки или сворачиваться в рулон [2]. Со временем она теряет поверхностное натяжение и упругость. В

УДК 539.1.04

горизонтальном электрическом поле, созданным плоским конденсатором, оболочка сфероида растягивается в стороны, а время жизни сфероида уменьшается.

Одним из удивительных свойств сфероида является его способность упруго отскакивать от твердой поверхности [3] и в тоже самое время, имея диаметр около 100 мм, проходить через отверстие в картоне с диаметром

50 мм с полным восстановлением своей сферической формы [4]. Кроме того, сфероид самопроизвольно трансформируется из сфероидальной структуры в тор [5], крендель и троичный тор [6]. В работе [5] было показано, что возможен даже переход сфероида в тор, а затем обратный переход в сфероидальную структуру.

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы показать, что из совокупности этих экспериментальных данных, следует, что оболочка сфероида является полимером ридберговских молекул воды, находящимся в высокоэластическом состоянии.

ВОДНЫЙ ПОЛИМЕР РИДБЕРГОВСКИХ МОЛЕКУЛ.

Молекула воды имеет два типа связей: ковалентные О - Н и межмолекулярные водородные О - Н- О. Согласно теории гибридизации, гибридные Бр3 - орбитали атома кислорода образуют прочные ковалентные а -связи с б - орбиталями водорода. Ковалентная связь О - Н является самой короткой и самой прочной химической связью с энергией ~ 400 кДж/моль. Дипольный момент гидроксильной О - Н -связи обычно составляет 1,7 D, а дипольный момент молекул воды - 1,84 D, что способствует образованию водородных связей (ВС) между молекулами воды. Дипольный момент ридберговских молекул Н20** имеет огромное значение, равное 2352 Э. Поэтому ридберговские молекулы имеют значительно большую тенденцию к образованию ВС, чем молекулы воды. В соответствие с концепцией неподеленного протона атом водорода сразу связан с двумя атомами кислорода ковалентной и водородной связью. ВС является частным случаем ковалентной

связи с делокализацией электронной плотности по цепи атомов •••[О-Н-О]- с образованием трёхцентровых четырёх электронных связей, в которой четыре электрона одновременно связывают три ядра.

ВС образуют пространственную сетку, в которой каждая молекула окружена четырьмя ближайшими соседями. Молекула воды ориентирована таким образом, что два ее атома водорода направлены приблизительно к двум из четырех окружающих атомов кислорода, при этом только один атом водорода лежит на линии кислород - кислород. Квантово-химические расчеты показывают, что наиболее выгодными являются структуры, в которых ковалентность ВС максимальна. Поэтому ковалентное взаимодействие составляет значительную долю ВС. Расположение молекул воды, соответствующее идеальной водородной связи, представлено на рис.1.

Энергия ВС ниже энергии химической связи, поэтому ВС очень чувствительны к изменению внешний условий.

Ридберговские молекулы воды имеют сильную тенденцию к самопроизвольному образованию между собой особо прочных водородных связей с формированием межмолекулярных кластеров (Н20**)т. Рентгеноструктурный анализ показал, что молекулы воды способны за счёт ВС образовывать структуры, представляющие собой топологические кольца из множества молекул воды. В природе базовым и наиболее устойчивым кластером является гексагональный, у которого шесть ридберговских молекул воды находятся в вершинах шестиугольника, объединенных в кольцо (Н20)б . Считаем, что ридберговские молекулы также образуют гексамеры.

Благодаря образованию ВС, протекает самопроизвольное присоединение к гексагональному кластеру (Н20**)б других гексамеров, что приводит к полимеризации кластеров с образованием водного полимера с сетчатой структурой п (Н20**)б ^ [(Н20**)б]п .

На способность воды к полимеризации впервые обратил внимание Поулинг [7]. Модель воды как пространственно-структурированного полимера рассматривалась в работах [8-9]. Самопроизвольная полимеризация.

Рисунок 1. Расположение молекул воды, соответствующее идеальной водородной связи.

С^З - атом кислорода, ф - атом водорода, — ВС.

кластеров возможна при условии:

AG = АН - TAS < 0, (1) где AG, АН, AS, - соответственно изменение свободной энергии, энтальпии, и энтропии системы, T -температура среды. Так как TAS > АН , то полимеризация связана с ростом энтропии. Изменение энтальпии и энтропии происходит за счет делокализации и изгиба ВС. Переход от одной конфигурации к другой также осуществляется за счет вращения некоторых молекул или в результате движения ядер водорода. Протоны будут стремиться к такой группировке, при которой каждый атом кислорода оказался рядом с двумя протонами. Конформация молекул, соответствующая условию (1), характеризует оптимальную пространственную структуру молекул, отвечающая максимальной энтропии S.

В результате уменьшения свободной энергии водный полимер становится механически более прочным и устойчивым по сравнению с исходными гексагональными кластерами. Полимер представляет собой паркетный узор, собранный из шестиугольников, фрагмент которого представлен на рис.2.

Рисунок 2. Фрагмент полимера [(Н20**)б]п .

Обозначения такие же, как на рис. 1

Специфика водного полимера [(Н20**)6]п состоит в том, что он имеет большое поверхностное натяжение и обладает уникальной способностью образовывать прочную поверхностную пленку, для разрыва которой следует приложить значительную растягивающую нагрузку. Пленка стремится принять сфероидальную форму, формируя оболочку сфероида.

Сегментальное строение водного полимера РМ. Водный полимер ридберговских молекул [(Н20**)6 ]п не имеет сшивок, поэтому высокая гибкость является его фундаментальным свойством. Полагаем, что такой полимер состоит из небольших сегментов [(Н20**)6 ]к , где к << п. Число

кластеров к является мерой гибкости полимера: чем меньше к, тем более гибким является полимер. Считаем также, что между соседними сегментами утрачивается корреляция, и они способны перемещаться как единое целое независимо друг от друга.

Деформация такого полимера обусловлена его сегментальным строением и происходит за счет подвижности мобильных сегментов. Известно, что сегментальная подвижность есть самое характерное и одновременно уникальное молекулярное движение, характерное исключительно для полимеров из-за их гибкости. Кроме того, сегментальная подвижность носит кооперативный характер [10]. Это означает, что при деформациях происходит перемещение не отдельных сегментов [(Н20**)б ]к, а некоторых сегментных групп [(Н20**)б ]т. Групповое молекулярное перемещение обеспечивается достаточным свободным объемом в результате газовой плотности ридберговского вещества. Молекулярное перемещение сегментных групп является крупномасштабным и, оно определяет динамику всего полимера [(Н20**)б ]п.

Локальный разрыв ВС с образованием дырок в оболочке сфероида.

Под действием больших деформаций возможны локальные повреждения полимерной сетки оболочки. Элементарные акты повреждений обусловлены флуктуациями энергии теплового движения и возбуждением капиллярных волн на поверхности оболочки, что приводит к разрыву части ВС и к возникновению свободных протонов. Совокупность таких разрывов образует дырку в результате выброса сегментной группы [(Н20**)б ]т с поверхности оболочки по схеме: [(Н20**)б]п ^ [(Н20**)б]п-т + [(Н20**)б]т .

Выброс частичек с поверхности оболочки сфероида надежно установлен в эксперименте [5]. Такой выброс может вызвать либо гибель оболочки, либо образование дырки с последующей самопроизвольной трансформацией сфероида в тор [5]. Возможно также образование сразу двух или трех дырок, тогда сфероид трансформируется либо в крендель, либо в троичный тор [6].

Восстановление ВС оболочки сфероида. С течением времени свободные протоны вновь образуют ВС с другими молекулами. Происходит как бы «залечивание» (затягивание) дырок на поверхности оболочки. Этот процесс протекает самопроизвольно под действием теплового молекулярного движения. Залечивание контролируется диффузионными процессами сегментов цепей в условиях крупномасштабного молекулярного движения.

Процесс завершается полным восстановлением сплошности оболочки.

Процессу залечивания оболочки в эксперименте соответствует обратная трансформация тора в сфероид [5]. Можно утверждать, что процесс трансформации структур контролируется разрывом и восстановлением ВС.

Высокоэластичное состояние полимера. В водном полимере отсутствуют поперечные сшивки. В результате этого структура полимера обладает высокой чувствительностью к внешним воздействиям. Отдельные сегменты полимера [(Н20**)6]т достаточно гибки, подвижны и способны быстро изменять свою форму, принимая ряд различных конформаций. Под действием растягивающей нагрузки более свернутые конформации будут переходить в менее свернутые. Отдельные звенья будут распрямляться. Рост числа более распрямлённых конформаций придает полимеру эластичность. В соответствии с принципом Ле Шателье - Брауна, эти процессы релаксации ослабляют возникшую деформацию полимера, и возвращают его в состояние термодинамического равновесия.

Таким образом, водный полимер находится в высокоэластичном состоянии, в котором он характеризуется большими обратимыми деформациями под воздействием небольших механических нагрузок.

В дальнейшем рассмотрении принимается гипотеза сплошности оболочки, т.е. молекулярная (дискретная) структура не учитывается.

Тогда вещество оболочки, непрерывное до деформации, остается непрерывным и после деформации. Также считается, что перемещение точек оболочки малы по сравнению с линейными размерами самой оболочки. Тогда перемещение точек будут непрерывными функциями координат.

Следовательно, оболочка является резиноподобным материалом.

СТРУКТУРНО - МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОЭЛАСТИЧНОЙ ОБОЛОЧКИ.

Свойство обратимости высокоэластичного состояния оболочки подразумевает бесконечно медленный процесс, при котором система возвращается в исходное состояние через те же промежуточные состояния, что и переход из начального в конечное состояние. Необходимым и достаточным условием обратимости процесса является его равновесность. Такой процесс не сопровождается потерями энергии, и над системой совершается максимальная работа, а высокоэластическая деформация является равновесной.

При обратимом изотермическом процессе изменение свободной энергии ёБ связано с изменением внутренней энергии dU и энтропии ёБ:

ёБ = ёи - Т ёБ, (2)

где Т - температура среды. Изменение внутренней энергии равно:

ёи = ёО + ёА,

где dQ и ёА - соответственно количества тепла подводимого к системе и величина полезной работы совершаемой над системой. При обратимом процессе ёО = ТёБ.

При деформировании оболочки на ё1 силой f работа деформации равна ёА = f ё1 - рёУ, где ёУ- деформируемый объем. При обратимых деформациях совершается максимальная работа, следовательно, ёУ = 0. Таким образом, высокоэластичная деформация является изохорно - изотермическим процессом. Оболочка в высокоэластичном состоянии ведет себя как несжимаемая жидкость.

Из формулы (2) следует, что dF = f dl или

г = (= Г «) - т( Щ . (3)

V )т у V )т У V )т У

Из первого равенства следует, что деформируемая сила равна изменению свободной энергии на единицу длины деформации. Из второго -следует, что при деформировании оболочки существуют упругие силы двух типов: одни связаны с изменением внутренней энергии, а другие - с изменением энтропии и с тепловым движением. Учитывая, что при обратимом процессе деформирования объем не изменяется, следовательно, среднее расстояние между сегментами полимера [(И20**)б]т не меняется, следовательно, внутренняя энергия остается постоянной. В этом случае, работа деформации не расходуется на преодоление межмолекулярных сил (

энергетическую составляющую), поэтому | ] = 0 и f = - т[ — ] , т. е.

V )т у V )т ,У

возникающее при деформации напряжение обусловлено только изменением энтропии, причем, энтропия полимера уменьшается, что указывает на увеличение упорядоченности в расположении сегментов.

В результате самопроизвольной упругой релаксации оболочки в начальное состояние с максимумом энтропии возникает обратная деформация

без нарушения сплошности оболочки, т.е. | ] = 0.

V )т у

Следовательно, обратная деформация также является непрерывной, а эластичность полимера имеет энтропийную природу. Упругая деформация тела

пропорциональна абсолютной температуре f=- т [ — ] , что свидетельствует о

V )т у

кинетическом характере деформирования.

Поведение оболочки подобно идеальному газу, у которого отсутствует изменение внутренней энергии, а его упругость имеет только энтропийную природу. В противоположность идеальному газу, деформирование упругих твердых тел обусловлена только энергетической составляющей.

Таким образом, высокоэластическое состояние полимера имеет своеобразное сочетание свойств упругих твёрдых тел (способность сопротивляться деформации и самопроизвольное восстановление исходной формы тела), упругих свойств газообразных тел (кинетическая природа эластичности) и общих свойств жидких тел (несжимаемость).

ДЕФОРМАЦИЯ ОБОЛОЧКИ В РАМКАХ МОДЕЛИ МАКСВЕЛЛА -ФОЙГТА.

Упругая деформация оболочки е связанна с напряжением а =Ее, где Е -модуль упругости, который равен Е = 3ркТ/ М, где р - плотность оболочки, а М - ее молекулярная масса. Многочисленные эксперименты подтверждают, что численное значение модуля упругости по порядку величины совпадает с экспериментальным значением. Характерной особенностью упругой деформации является способность материала восстанавливать начальную форму после снятия нагрузки, т.е. если а = 0, то е = 0.

При длительном воздействии небольших нагрузок в оболочке происходит медленное накопление высокоэластичной деформации, которая может развиваться до значительных величин. В сегментальным механизме ползучести реализуется направленное поступательное движение отдельных сегментов. В том же направлении смещается и центр масс водного полимера. Скорость перемещения сегментов незначительна. Основная особенность такой деформации связана с большим промежутком времени, необходимым для ее развития. По физической сути - это запаздывающая деформация, равная азап О) =Пи = П'ёе/ё? , где и - скорость распространения структурированной среды с вязкостью п.

Оболочка сфероида является упругим материалом, демонстрирующим при деформировании возникновение запаздывающей упругой деформации, т.е. ползучести. Процесс деформации оболочки в рамках модели Кельвина-Фойгта, примет вид:

а = Ее + П'ёеМ.

Интегрируя это уравнение с заменой переменных у = а/Е - е и п/Е = т, получим выражение изменения деформации во времени под действием постоянной нагрузки а, т.е. ползучести материала:

е(а, 1) = а/Е(1 - ехр(-/т)) (4). Характерное поведение такой среды заключается в постепенном нарастании деформации под действием постоянного напряжения. Здесь т -время релаксации. После прекращения действия силы деформация будет исчезать по экспоненциальному закону до полного исчезновения, т.е. деформация является обратимой.

Ползучесть оболочки е(а, 1:) также зависит от температуры среды:

^ = * (а, Г )ехрГ- Ч* ],

ат у ' \ ят) где иэф - эффективная энергия активации поступательного движения сегментов, К(аД) - параметр, зависящий от времени и напряжения в материале. Ползучесть оболочки уменьшается с ростом температуры.

Скорость ползучести оболочки V, как стуктурированной системы, будет равна [11]:

V = к акр /п, (5)

где к - коэффициент, характеризующий структурные особенности среды, акр - критическое напряжение (предел прочности), равное максимальному напряжению, при котором оболочка еще не разрушена. В условиях ползучести вязкость системы максимальна.

Из формулы (5) следует, что для ползучести материала необходимо некоторое критическое напряжение акр > 0, если а = 0, то ползучесть будет отсутствовать. Кроме того, в структурированных средах вязкость среды зависит

от приложенного напряжения п = п(а). При росте внешнего возмущения а вязкость п падает и возникает ползучесть. В отличие от структурированных сред, жидкие среды текут при любых напряжениях а ~ 0, а вязкость п является константой.

Анализ влияния времени действия силы на характер деформации оболочки. Если время действия силы на оболочку очень мало, т.е. X << т , то вторым слагаемым в (4) можно пренебречь. Деформация оболочки подчиняется закону Гука е = а/Е и протекает за бесконечно малое время. В этом случае сфероид упруго отскакивает от твердой поверхности в полном соответствии с экспериментом [3] .

Если время действия силы на оболочку велико X >> т, то деформация зависит от времени е(а, X) = е(Х). В этом случае под действием постоянной нагрузки в оболочке сфероида возникает ползучесть, которая позволяет сфероиду проникать через малые отверстия вплоть до щелей только под действием собственного веса.

При условии X ~ т, когда время воздействия силы становится сравнимым с временем релаксации системы, возникает ползучесть оболочки сфероида, которую наблюдали в эксперименте [4].

Таким образом, механические особенности оболочки определяются соотношением временем действия сил и временем релаксации деформации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Модель оболочки ридберговского сфероида в виде водного полимера ридберговских молекул, находящегося в обратимом высокоэластическом состоянии, позволяет объяснить всю совокупность основных экспериментальных данных по свойствам сфероида. Это способность сфероида упруго отскакивать от твердой поверхности и одновременно проникать через малые отверстия вплоть до щелей. Топологические свойства оболочки по трансформации сфероида в тор и троичный тор, а также обратная трансформация тора в сфероид.

Поведение сфероида при взаимодействии с твердой поверхностью определяется соотношением времени действия силы на оболочку сфероида и временем релаксации деформации оболочки. В зависимости от этого параметра оболочка сфероида может проявлять либо упругие свойства, либо ползучесть.

Под действием флуктуаций энергии теплового движения и возбуждения капиллярных волн на поверхности оболочки возможен разрыв части водородных связей с образованием дырок, а также их залечивание с течением времени. Эти процессы изменяют топологический инвариант поверхности оболочки, что вызывает трансформацию пространственных структур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Сухоносов В.Я. Основные свойства конденсата ридберговских молекул воды. Международный научный журнал «Вестник науки» 2025. Т.3. № 1(82). С.1676 - 1698;

2. Емелин С.Е., Пирозерский А.Л., Егоров А.И., Степанов С.И., Бычков В.Л. Моделирование шаровой молнии с помощью электрического разряда через поверхность слабого водного раствора. Сб. Материалы 9 Всероссийской конференции. Дагомысс, 2002 г. Холодная трансмутация ядер. М. 2002 г. С.240 - 248;

3. Zhao Shixin, Yuan Chengxun, Кудрявцев А.А., Yao Jingfeng, Шабанов Г.Д. Влияние магнитных и электрических полей на динамику образования плазмоидов в гатчинском разряде // ЖТФ. 2022. том 92. вып. 3. С.366 - 385;

4. Шабанов Г.Д. О возможности создания природной шаровой молнии импульсным разрядом нового вида в лабораторных условиях. УФН 2019. т. 189. №1. С.95-111;

5. Ким Д.Ч., Семенов А.С., Бебихов Ю.В., Спиридонов В.М., Татаринов П.С. Разработка и испытание установки для изучения лабораторного аналога шаровой молнии // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2020.№ 6 (80). С. 34-47;

6. Юферов В.Б., Муфель Е.В., Ткачев В.И., Шарый С.В., Шаповал А.Н. О некоторых особенностях плазменных разрядов над поверхностью воды. Вестник НТУ ХПИ 2009. № 41. С.155 - 162;

7. Паулинг Л. Природа химической связи. 1947.М., Л.: ГНТИХЛ;

8. Домрачев Г.А., Родыгин Ю.Л., Селивановский Д.А. Роль звука и жидкой воды как динамически нестабильной полимерной системы в механохимически активированных процессах продуцирования кислорода в условиях Земли. ЖФХ 1992. т. 66. №3. С. 851 - 855;

9. Домрачев Г.А., Родыгин Ю.Л., Селивановский ДА. Механохимически активированное разложение воды в жидкой фазе. ДАН 1993.т.329. №2. С.186 - 188;

10. Ростиашвили В.Г., Иржак В.И., Розенберг Б.А. Стеклование полимеров. 1987. Л., Химия,197 с;

11. Зимон А.Д., Левченко Н.Ф. Коллоидная химия.2001 г. М.: АГАР. 320 с.

Sukhonosov V.Ya.

Dr. Chem. Phys. [email protected]

(Obninsk, Russia)

THE POLYMERIC NATURE OF THE SHELL OF THE RYDBERG SPHEROID

Abstract: from the totality of the main experimental data on the properties of the spheroid, it is concluded that the shell of the spheroid is an aqueous polymer of Rydberg molecules in a reversible highly elastic state. The polymer is formed as a result of condensation of Rydberg water molecules with polymerization of hexagonal clusters. Due to the high surface tension, the polymer film takes the form of a spheroid shell.

It is shown that the rubber-like shell of a spheroid, when interacting with a solid surface, can exhibit both elastic properties and creep. These processes are determined by the ratio of the time of action of the force on the shell and the relaxation time of its deformation. The rupture of part of the hydrogen bonds with the formation of holes on the shell and their healing over time change the topological invariant of the shell surface, which causes the transformation of spatial structures such as a spheroid and a torus.

Keywords: Rydberg spheroid, spheroid shell, water polymer, elastic deformation, creep.