CC BY
57
Ezhova Lilia Igorevna, student, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Levit Vasiliy Vladimirovich, postgraduate, Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
УДК: 537.9, 536.425 ©Л.А. Щербаченко, В.И. Донской, Н.А. Шурыгина, Е.С. Барышников,
Л.И. Ежова, Д.С. Барышников, С.А. Васильев, С.В. Афанасов, Д.А. Ленев
СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ДИСПЕРСНЫХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМАХ ПРИ НАЛИЧИИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАЗНОРОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ
Исследуются электретные свойства водных образцов, кинетика процессов их поляризации и электропереноса зарядов, анализируются параметры релаксаторов. Особое внимание уделяется механизму межфазного кулоновского взаимодействия на границах раздела заряженных кристаллических дефектов и свободных молекул воды, приводящему к формированию внутренней электрической разности потенциала.
Ключевые слова: электретные свойства, кристаллические дефекты
L.A. Shcherbachenko, V.I. Donskoy, N.A. Shurigina, E.S. Barishnikov, L.I. Ezhova,
D.S. Barishnikov, S.A. Vasilev, S.V. Afanasov, D.A. Lenev
STRUCTURAL AND PHASE TRANSITIONS IN DISPERSED HETEROGENEOUS SYSTEMS IN THE PRESENCE OF ELECTRIC-INTERACTION OF HETEROGENEOUS COMPONENTS
The electret properties of water samples, the kinetics of the processes ofpolarization and transport of charges are researched. The parameters of relaxators are analyzed. Particular attention is paid to the mechanism of interfacial Coulon interaction at the interface between the charged crystal defects and free water molecules, leading to the formation of the internal electrical potential difference.
Keywords: electret properties, crystal defects
В настоящее время в научных исследованиях значительное внимание уделяется изучению свойств гетерофазных слоистых систем, содержащих полярные жидкие пленки. Интерес к таким сложным системам обусловлен регистрацией новых физических свойств, связанных с изменением структуры, а также формированием упорядоченной ориентации молекул полярных пленок жидкости непосредственно находящихся в контакте с активной твердой поверхностью [1].
Установлено, что эффекты структурирования наиболее выражены в полярных жидкостях с меж-молекулярными водородными связями, прежде всего - в воде, где изменения структуры носят более глубокий и дальнодействующий характер [2, 3]. К сожалению, приходится констатировать, что набор методов исследования физических свойств жидкости в структурированной фазе крайне ограничен в связи с тем, что изучение свойств граничных слоев связано со значительными специфическими трудностями эксперимента, что существенно сдерживает развитие таких исследований. Современное состояние вопросов о свойствах воды в настоящее время не позволяет построить модель, способную объяснить строение и проявление многих свойств этого вещества.
Известно, что вода, в жидком состоянии, имеет сложную структуру и является трудным объектом для исследования её свойств, что связано с коллективным характером взаимодействия молекул. Наличие в воде устойчивых локальных неоднородностей может послужить инициированием различных структурных комплексов. Существует мнение, что вода является динамически нестабильной полимерной системой, содержащей весьма устойчивые и изменчивые полимерные структуры, представляющие собой сложные объединения молекул воды.
Изучить строение таких образующихся полимеров довольно сложно, поскольку вода - смесь различных полимеров, находящихся в равновесии между собой. При столкновении друг с другом такие полимеры переходят один в другой, разлетаются и вновь сталкиваются [2]. В настоящее время высказывается мнение, что в воде существуют стабильные кластеры, обладающие значительной электрической энергией [8]. Необычные свойства воды объясняются способностью молекул образовывать межмолекулярные ассоциаты за счет ориентационных и дисперсионных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса), а также за счет водородных связей между атомами водорода и кислорода соседних мо-
лекул. Благодаря этому, молекулы воды способны образовывать как случайные ассоциаты (не имеющие упорядоченной структуры), так и кластеры-ассоциаты, устойчивые активные неоднородности имеющие упорядоченную структуру [13-15].
При электретно-термическом исследовании дисперсных сред как органического, так и неорганического происхождения, включающих водную компоненту, прослеживается определенное подобие в характере спектра термостимулированных токов. Во всех случаях таких наблюдений имеет место появление интенсивного пика в температурной области близкой к температуре кипения воды. Вещества, обладающие подобным спектром, характеризуются наличием структурированной воды, которая в тканях органического происхождения может занимать значительную долю объема [9-12]. Вместе с тем, результаты последних исследований свободной воды показали, что она неоднородна. Свободная вода представляет собой жидкодисперсную среду, состоящую из нанокластеров, погруженных в неупорядоченное хаотическое окружение [13]. Эксперимент, приведенный в работе [14], однозначно доказал, что нанокластеры воды обладают большими электрическими дипольными моментами. Установлено также, что такое состояние воды существует при всех температурах вплоть до температуры кипения [15]. В связи с этим фактом, при проведении электретно-термического анализа веществ, в состав которых входят молекулы воды, возникает вопрос о ее роли, как дисперсной структуры в составе гетерогенного образования.
Целью работы является исследование электретных свойств природной воды, связанных с процессами накопления, релаксации и переноса заряда, позволяющие установить структурные особенности и энергетическое состояние рассматриваемой системы
В качестве основного объекта исследования выбрана природная вода. Образцы были взяты из озера Байкал. Вода подвергалась замораживанию, кипячению и длительному хранению. В экспериментах сравнения использовалась дистиллированная вода. Для исследования физических свойств жидкой свободной воды использовался метод электретно-термической спектроскопии являющийся одним из наиболее информативных методов исследования дисперсных систем. Он дает возможность изучить процессы релаксации заряда, вызываемой нагреванием среды [5, 17]. Форма и положение пиков в спектре термостимулированных токов позволяют выявить механизм удержания заряда электретом.
Для проведения исследований были созданы измерительные ячейки различной конструкции [16]. В основе конструкций - плоский конденсатор с двумя алюминиевыми электродами. Один из электродов дополнительно покрывался тонкой фторопластовой пленкой с высоким омическим сопротивлением. Термостимулированные токи (ТСТ) в интервале температур от 20 до 1400С регистрировались с помощью цифрового вольтметра-электрометра В7-49 с погрешностью измерения тока 10-15А при линейном нагреве образца со скоростью, не превышающей 1 град/мин, и при отсутствии внешнего напряжения на электродах измерительной ячейки. Низкая скорость нагрева обеспечивала отсутствие градиентов температуры в образце, что являлось необходимым условием получения информативных и достоверных результатов. В связи с тем, что на электродах измерительной ячейки отсутствовало внешнее напряжение, динамика наблюдаемых спектров ТСТ зависела только от распределения собственных внутренних электрических полей, создаваемых локализованными носителями термоэлек-третного заряда исследуемой системы. Полученные данные записывались в память ЭВМ и представлялись в виде временных диаграмм термостимулированных токов и температуры образца. Проводился постоянный контроль стабильности начальной емкости для исследуемых образцов.
По результатам электретно-термического анализа были получены основные электрофизические параметры носителей заряда (табл. 1 и 2). Так энергия активации носителей ип в окрестности максимума ТСТ характеризует вероятность выхода заряженных дефектов из потенциальных ловушек системы при данной температуре. Плотность термически освобожденного заряда оп позволяет оценить концентрацию структурных дефектов в указанных потенциальных ловушках. Время релаксации носителей заряда т соответствует времени разрушения электретного состояния системы. Частотный фактор ю0 характеризует частоту колебаний связанных ионов в потенциальных ловушках.
Динамика деполяризации электрета характеризуется временем релаксации т носителей заряда и подчиняется закону Аррениуса [1]:
на, Т - температура системы. Термостимулированный ток достигает максимума при некоторой температуре Ттах, которая связана со временем релаксации т:
(1)
где ю0 - частотный фактор, и - энергия активации носителей заряда, к= 1,38^10-23 Дж/К - постоянная Больцма-
т =
Р и
[т ]2
і. тах J
(2)
где в - скорость нагрева системы. Учитывая, что время релаксации т определяется по ширине максимума термостимулированного тока АТ, взятой по уровню 1/е, а также принимая во внимание соотношения (1) и (2), получим выражения для расчета основных релаксационных параметров:
]' Р (т.
Т =
А Т
ехр
А Т
Р А Т А Т у А Т ] (3)
где величины АТ и Ттах определены экспериментально. Энергия активации ип определялась по температурному Т (п)
положению
и ширине АТП максимума тока на спектрах ТСТ:
к [т тП) ]2
А Т„
и
(4)
где к - постоянная Больцмана. Плотность электретного заряда оп была вычислена по площади, заключенной под кривой термотока:
1
а
ГI (Т ' )сіТ '
. (1 )
(5)
где в = 1 град/мин - скорость нагрева, Тп(1) и Тп(2) - нижняя и верхняя температурные границы релаксации носителей заряда п - го типа, 8 = 3, Г10"4 м2 - площадь поверхности электродов ячейки.
I, ю"8а
к
п
Рис. 1. Спектр ТСТ исходного образца природной воды.
Спектры термостимулированных токов (ТСТ) исходного образца природной воды представленные на рис. 1 свидетельствуют о неоднородной и различной по структуре образца воды и существовании в нем нескольких механизмов накопления, релаксации и переноса электретных зарядов. Такие спектры, проявляются в результате разрушения электретного состояния исследуемых объектов и характеризуются максимумами тока, число которых соответствует числу монорелаксационных процессов, а динамика термостимулированных токов является отражением структурных особенностей водных образцов. Таким образом, анализ спектров экспериментально регистрируемых термостимулированных токов исследуемых объектов свидетельствует о том, что вода представляет собой электрически активную неоднородную по структуре ассоциированную жидкость.
Изучаемые образцы байкальской воды различались сроком хранения и структурой (талая, кипяченая и дистиллированная вода, рис. 1-3). Интенсивная релаксация термостимулированных токов в рассматриваемой конденсированной системе при отсутствии внешнего напряжения на электродах ячейки является свидетельством образования внутренней разности потенциалов между этими электродами, наличия каналов ионной проводимости в рассматриваемой системе, а также свободных носителей заряда.
Проведенные ранее исследования электретных свойств электрически активных неорганических и органических систем на примере мелкодисперсной гидратированной слюды и венозной крови человека при отсутствии внешнего напряжения [11, 12] также показали аккумуляцию электрических токов, формируемых собственной внутренней электрической разностью потенциалов. Причина возникновения последней была объяснена наличием внутренних механизмов кулоновского взаимодействия
на электроконтактных границах между полярными молекулами, а также ионами воды с зарядами активной поверхности механоактивированной мелкоразмерной слюды, или во втором случае - с элек-тро-активными мембранами клеток крови. Сопоставление результатов исследований, проведенных ранее, с полученными в настоящей работе дает основание для привлечения их в качестве аналога, позволяющего объяснить сложные процессы формирования электретных свойств в дисперсных средах на основе свободной воды. Можно предположить, что механизм генерации электрической разности потенциалов, ответственный за аккумуляцию электрических токов в рассматриваемой системе «жидкая вода», основан на наличии электроконтактного взаимодействия активной поверхности твердой и полярной жидкой компонентов среды. Вероятно, что формирование электрической разности потенциалов в водных образцах также является результатом кулоновского взаимодействия полярных свободных молекул и ионов воды с активными твердыми поверхностями. Такими поверхностями могут служить кристаллические льдоподобные ассоциаты, о существовании которых сообщается в работах [1, 2, 13-15]. Экспериментальное наблюдение термостимулированных токов является фактором, свидетельствующим в пользу вывода о присутствии в водных образцах твердых кристаллических локальных неоднородностей с электрически активной поверхностью. По всей вероятности, на внешней оболочке устойчивых нанокластерных структур геометрия полярных молекул воды способствует формированию локальных заряженных центров, что и приводит к электрической активности поверхности таких комплексов.
Водная компонента состоит из полярных молекул с ионными связями и, таким образом, внутреннее поле особенно при невысоких температурах выступает в роли катализатора процессов диссоциации полярной жидкости и способствует увеличению в ней концентрации свободных зарядов. Смещение свободных заряженных частиц в жидкой полярной компоненте под действием устойчивого внутреннего поля в новые энергетически более выгодные позиции закрепления обеспечивает как миграцию ионов к активной поверхности твердой фазы, так и их накопление в объеме электрически активной системы [10, 11]. Интенсивное накопление свободных зарядов жидкой и твердой компонентами свидетельствует о проявлении электретных свойств.
В спектрах термостимулированных токов свежей байкальской воды наблюдаются несколько доминирующих термотоков, достигающих в максимуме значения 12-10-8А (рис. 1). Значительное изменение характера термоспектра обнаруживается после длительного (более 20 суток) хранения воды (рис. 2, кривая а): отмечается уменьшение тока в максимуме до значения I =
0,6-10-8 А энергии активации и плотности заряда (табл. 1 и 2) и кроме того, изменяется направление термостимулированного тока. Выявлено, что токовые пики до t = 750С имеют положительное направление тока, а высокотемпературные (990С и 1250С) - отрицательное. Изменения аналогичного характера наблюдаются и в образцах, подвергнутых предварительному кипячению (рис. 2, кривая в) и дистилляции (рис. 2, кривая с). Процесс рекристаллизации (замораживание образцов воды с последующим естественным плавлением при комнатной температуре) ведет к восстановлению исходной структуры (рис. 3).
I, 10 А
Рис. 2. Спектры ТСТ природной воды. Образцы получены в результате: а -старения, Ь - кипячения, с - дистилляции
С ростом температуры системы, вследствие увеличения интенсивности теплового движения структурных элементов твердой фазы, происходит термический выход заряженных дефектов из потенциальных ловушек твердой поверхности в жидкую среду. Свободные ионы водной фазы и заряды твердой фазы движутся под действием внутреннего электрического поля в каналах ионной проводимости, что и обусловливает наличие термостимулированного тока. Поскольку до начала процесса активации эти носители тока являлись частью структуры твердой и жидкой фаз исследуемой дисперсной системы, динамика термостимулированных токов позволяет изучать структурные особенности всей системы в целом, а также ее отдельных компонент.
Во всех исследованных объектах имеется пик термотока в интервале температур 23-270С, который может быть вызван термически стимулированным движением свободных гетерозарядов, накопленных вблизи электроконтактных границ раздела разнородных фаз под действием внутреннего поля системы [16]. Интенсивность релаксации в пределах этого максимума не очень велика и свидетельствует о слабом проявлении поляризационных процессов в образце в данном диапазоне температур. Термический пик при 35-360С, вероятно, вызван релаксацией свободного межфазного заряда, накопленного на границах раздела поверхностно активных кристаллических водных структур и полярной свободной воды. Источником таких зарядов являются процессы ионизации, в ходе которых молекулы воды распадаются на ионы. Согласно теории Пула-Френкеля, диссоциация молекул жидкости в окрестности 35-360С осуществляется преимущественно под действием внутреннего электрического поля, поскольку энергии теплового движения молекул для их ионизации недостаточно.
Выше Т = 36°С упорядоченная структура полярной жидкой воды постепенно разрушается под действием теплового движения, что приводит к ослаблению связей между молекулами. При некоторой критической температуре и достаточной энергии активации носители заряда покидают потенциальные ловушки, при этом происходит разрушение дефектов определенного вида и выход освобожденных зарядов в каналы ионной проводимости.
Максимум при Т = 600С свидетельствует о структурном переходе связанной воды в свободное состояние, что сопровождается приобретением молекулами дополнительных степеней свободы за счет увеличения энергии тепловых колебаний с ростом температуры системы. Эффекты перехода молекул связанной воды в объемное состояние наблюдались при аналогичных температурах и в других неорганических и органических средах. При этой температуре происходит тепловое разрушение упорядоченной структуры связанных слоев воды. Создаваемое ими электрическое поле существенно ослабляется, что сопровождается значительным уменьшением потенциального барьера для рассматриваемых носителей заряда и реализуется в виде интенсивного максимума тока в спектре ТСТ.
Пик при Т = 750С характеризуется заметно возросшей амплитудой по сравнению с отмеченными ранее максимумами в низкотемпературной области. При этой температуре, как правило, величина тока увеличивается на порядок, что свидетельствует об эффективном процессе
Рис- 3. Спектры ТСТ пеРекРисталлиз°ванн°й «та- разрушения большого числа достаточно проч-
лой» воды: а -«старая», Ь-кипяченая, с - дистилли-
л ных структурных комплексов.
рованная, d - «свежая» ^ ^
Релаксационные процессы в области температур от 18 до 750С имеют, как правило, низкую интенсивность. В этой области температур реализуются преимущественно перескоки электронных носителей из одного дефектного узла на другой. Релаксация низкотемпературного участка, вероятно, может быть объяснена наличием микроскопических областей, в которых поляризация осуществляется на локальных заряженных центрах.
Таким образом, низкотемпературные максимумы тока связываются с накоплением межфазных гетерозарядов под действием внутреннего электрического поля, а также с особенностями структуры водной компоненты. Как показывает эксперимент, температурное положение таких максимумов не зависит от вида образцов воды и срока хранения (рис. 1-3). Такие максимумы токов характерны как для неорганических, так и для органических дисперсных неупорядоченных систем, имеющих водную компоненту [3, 8, 9].
При более высоких температурах увеличение термостимулированного тока сопровождается ростом концентрации и подвижности соответствующих носителей заряда. В интервале 85-1400С каналы ионной проводимости расширяются и способны пронизывать весь объем образца, обеспечивая транспорт значительно большей части термически освобожденных заряженных компонентов до электродов ячейки. В этом диапазоне максимумы тока, в отличие от низкотемпературных, проявляют зависимость от вида исследуемых образцов и длительности их хранения. Появление пиков тока вероятно связано с термическим освобождением ионов из дефектных областей сложных ассоциатов, находящихся в объеме системы. Амплитуда пика в области 100оС, более чем на порядок выше остальных пиков, что свидетельствует о значительно возросшей концентрации разрушающихся структур, являющихся, по всей видимости, свободными молекулами и ионами воды. В области 109-1360С имеется пик, свидетельствующий о разрушении наиболее прочных структур. Появление этого пика предположительно связано с разрушением гидратированных ионов Н+, ОН", Н3О2+ [13-15, 17].
Значительная амплитуда релаксационных максимумов тока в области выше 1000С свидетельствует о большой концентрации накопленных зарядов на межфазных границах. В интервале температур от 100 до 1400С наблюдается смещение положения максимумов тока, связанное со временем хранения и видом образцов. Этот экспериментальный результат предполагает следующее объяснение. Энергия активации заряженных дефектов, находящихся на активной поверхности кристаллических ассоциатов и в объеме водной компоненты, является результирующей функцией энергии электрического и теплового поля. Экспериментально выявлено, что электрическая внутренняя энергия «свежих» образцов воды больше, чем для «старых» образцов (с длительным временем хранения). Следовательно, вклад электрической составляющей для «свежих» образцов возрастает, и суммарное собственное электрическое поле системы способствует уменьшению энергии активации заряженных дефектов кристаллической фазы. Тем самым облегчается их выход с поверхности и объема твердых включений в каналы ионной проводимости. Как следствие, облегченный электрическим полем выход ионов с поверхности и из объема кристаллических ассоциатов осуществляется при более низких температурах. Так для «свежего» водного образца максимум высокотемпературного пика проявляется при температуре Т1=109°С (рис. 1), а для «старого» образца (время хранения более 20 суток) температура аналогичного пика составляет Т = 1360С.
В окрестности температуры 1000С пик ТСТ всегда имеет отрицательную полярность (рис. 1-3). Смена направления тока свидетельствует об изменении направления результирующей напряженности собственного электрического поля в системе. Источниками электрического поля дисперсной водной системы являются, с одной стороны, заряды, расположенные на активной кристаллической льдоподобной поверхности и, с другой стороны, - полярные молекулы и ионы водной компоненты. С ростом температуры концентрация ионов заметно увеличивается, в то время как напряженность твердой фазы остается неизменной. Носители заряда полярной компоненты образуются не только при диссоциации полярных молекул жидкости, но и в результате термической ионизации структурных дефектов твердокристаллической фазы [10, 11]. При термическом распаде основных структурных элементов системы образованные заряды попадают в каналы ионной проводимости и под действием градиентов потенциала внутреннего поля аккумулируют электрический ток. Таким образом, происходит усиление вклада напряженности внутреннего поля, создаваемого ионами и молекулами полярной жидкой фазы. Отсюда можно сделать вывод о вероятности изменения не только направления, но и модуля внутреннего электрического поля. Действительно, отрицательный максимум характеризуется значительно возросшей амплитудой тока (рис. 2, кривые а, Ь, с).
В отличие от наведенных искусственных электретов, природная вода, вероятно, обладает свойствами естественного электрета, в котором направленный транспорт ионов обусловлен наличием внутренних электрических полей. Формирование доминирующих максимумов в спектрах термостимулированных токов ТСТ вызвано преобразованием поляризованных заряженных дефектов, до начала процесса термической активации входивших в состав структуры исследуемой системы. Спектры образцов, представленные на рис. 1-3, свидетельствуют о неоднородности системы «жидкая вода». Фазовый переход «жидкость-лед» способствует увеличению электрической энергии воды. Это объясняется появлением более эффективного электроконтактного взаимодействия на межфазных границах активной поверхности структурных комплексов и свободных ионов и молекул воды (табл. 1 и 2). Величина максимального значения тока для «талой» (после рекристаллизации) воды почти в 1,5 раза превышает значение тока для исходного образца (рис. 3, кривая ё).
Анализ экспериментальных исследований показал, что после рекристаллизации образцы водных сред, предварительно подвергнутых фазовому преобразованию, способны восстанавливать первоначальную структуру. Спектры ТСТ предварительно обработанных образцов представлены на рис. 2. Особенностью этих данных, по сравнению с исходным образцом (рис. 1), является изменение направления результирующего внутреннего поля: в низкотемпературной области спектра термостимулированные токи положительны, а в высокотемпературной - отрицательны.
Таблица 1 Таблица 2
Параметры основных релаксаторов Параметры основных релаксаторов
электретного состояния электретного состояния жидкодисперсных сред
жидкодисперсных сред после рекристаллизации
Т 0С А max ? Un, eV on,C /m2 Tn, s
Свежий образец
26 2,97 0,16 148,7
36 2,91 0,24 152,7
42 4,03 0,16 118,2
62 0,52 3,15 1036,1
75 2,32 0,43 238,3
89 1,42 1,03 429,2
100 4,09 0,41 162,3
109 2,21 1,12 306,6
Кипячение
26 2,14 0,0013 175,0
63 1,21 0,0067 443,8
75 3,65 0,0023 144,0
83 0,75 0,0157 808,1
100 1,49 0,0317 435,2
130 1,58 0,0425 481,9
Дистилляция
26 1,37 0,0013 221,1
60 1,23 0,0023 400,0
75 1,40 0,0055 402,3
85 1,46 0,0027 414,3
100 1,69 0,0209 413,0
128 1,80 0,0291 411,5
Tmax , °С Un, eV On, C/m2 Tn, s
Свежий образец
26 0,82 1,0048 390,7
36 2,68 0,2611 158,8
42 1,86 0,6445 256,8
61 0,77 2,9621 688,9
74 2,38 0,6587 245,1
84 2,01 0,7829 294,4
100 0,86 2,6413 762,8
107 3,74 0,3575 186,3
Кипячение
27 0,90 0,0223 324,5
36 0,99 0,0017 540,0
42 1,03 0,0290 463,5
63 0,85 0,0627 608,2
75 2,06 0,0181 275,7
83 1,80 0,0206 330,0
100 0,75 0,0874 873,8
126 1,59 0,0471 456,4
Дистилляция
26 0,95 0,0034 348,4
35 1,01 0,0030 436,4
42 1,07 0,0033 437,5
60 1,17 0,0038 439,3
74 1,29 0,0077 439,3
84 1,40 0,0049 445,7
100 1,49 0,0320 440,9
127 1,55 0,0607 662,5
Полученные экспериментальные результаты позволили построить механизм процессов, протекающих в электрически активных дисперсных водных системах. Основополагающим фактором в понимании этого механизма является электроконтактное кулоновское взаимодействие на межфазных границах между свободными молекулами водной жидкой фазы и зарядами на поверхности льдопо-
добной твердой компоненты. Результатом такого взаимодействия является генерации электрической энергии и появление градиента потенциала устойчивого внутреннего поля. Наличие градиентов потенциала внутреннего электрического поля и каналов ионной проводимости способствует возникновению направленного движения как свободных зарядов, находящихся в воде, так и зарядов, термически освобожденных из потенциальных ловушек поверхности и объема различного вида кристаллических ассоциатов.
Внутреннее электрическое поле выступает в роли катализатора процессов диссоциации полярной жидкости и способствует увеличению в ней концентрации свободных зарядов. Смещение свободных заряженных частиц в жидкой полярной компоненте под действием устойчивого внутреннего поля в новые энергетически более выгодные позиции закрепления обеспечивает как миграцию ионов к активной поверхности твердоподобной фазы, так и их накопление в объеме электрически активной системы [10, 11]. Интенсивное накопление электретных зарядов в жидкой фазе воды свидетельствует о проявлении в ней электретных свойств исследуемой системы, что позволяет придавать таким активным системам свойства источника тока.
Экспериментальная регистрация электрических токов в исследуемых образцах воды в отсутствие внешнего поля свидетельствует о способности таких образцов генерировать электрическую энергию. Интенсивность наблюдаемых термостимулированных токов является индикатором электроконтакт-ного взаимодействия свободных полярных молекул водной матрицы с заряженными поверхностями кристаллических комплексов, погруженных в нее.
Наблюдение термостимулированных токов является фактором, свидетельствующим в пользу вывода о присутствии в водных образцах твердых кристаллических локальных неоднородностей с электрически активной поверхностью. По всей вероятности, на внешней оболочке устойчивых нанокла-стерных структур геометрия полярных молекул воды способствует формированию локальных заряженных центров, что и приводит к электрической активности поверхности таких комплексов.
Заключение
Результаты проведенных исследований показали, что незначительные внешние воздействия на структуру воды приводит к изменению ее физических свойств и спектров термостимулированных токов. Используемый в работе метод позволяет оценить характер происходящих структурных изменений. Дисперсная система «свободная вода» демонстрирует свойства естественного электрета. При комнатной температуре в ней присутствуют свободные заряды, которые приводятся в движение собственными градиентами потенциала. Формирование градиента потенциала собственного внутреннего поля в системе «жидкая вода» при отсутствии внешних сил, вероятно, осуществляется в результате кулоновского взаимодействия между полярными молекулами свободной воды и активными твердыми поверхностями. Этот вывод логически указывает на присутствие в жидкой свободной воде твердой фазы. О многокомпонентности системы свидетельствуют также обнаруженные на кривой термостимулированных токов многочисленные максимумы, связанные с наличием разноструктурных релаксаторов свободных зарядов.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют в пользу того, что вода представляет собой сложную и неоднородную по структуре жидкость, состоящую не только из свободных ионов и молекул, но также из устойчивых ассоциатов-комплексов, которыми могут являться обнаруженные ранее кристаллические льдоподобные нанокластерные структуры.
Литература
1. Зенин С.В., Тяглов Б.В. // Ж. физ. химии. 1994. Т. 68. № 4. С.636-641.
2. Смирнов А.Н., Сыроешкин А.В. // Рос. Хим. журнал. 2004. Т. 68. № 2. С 125-135.
3. Дерягин Б.В., Овчаренко Ф.Д., Чураев Н.В. Вода в дисперсных системах. М. Химия. 1989. 285 с.
4. Тонконогов М.П. // УФН. 1998. Т.168. №1. С 29-54.
5. Гороховатский Ю.А., Бордовский Г.А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков. М.: Наука, 1991. 248 с.
6. Пинчук Л.С., Кравцов А.Г., Зотов С.В. // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 5. С. 115-118.
7. Чернякова Ю.М., Пинчук Л.С., Кравцов А.Г., Кадолич Ж.В., Николаев В.И. // ЖТФ. 2005. Т. 75. Вып. 5. С. 119-123.
8. Кулин Е.Т. Биоэлектретный эффект. Минск: Наука и техника.1980. 216 с.
9. Gaur M.S., Tiwari R.K., Prashant Shukla et al. // J. Trends Biomater. Artif. Organs. 2007. Vol. 21 (1). P. 8-13.
10. Маскаренас С. // Электреты. М. 1983. С.400-431.
11. Щербаченко Л.А., Борисов В.С., Максимова Н.Т. и др. // ЖТФ. 2009. Т. 79. Вып. 9. С. 129-137.
12. Щербаченко Л.А., Борисов В.С., Максимова Н.Т. и др. // ЖТФ. 2010. Т. 80. Вып. 8. С. 136-142.
13. Huang C., Wikfeldt K.T., Tokushima T. and oth. // PNAS. 2009. N106, P.15214
14. Moro R., Rabinovitch R., Xia Ch., and Kresin V.V. // Phys. Rev. Lett. 2006. N 97. P.123401-1-4.
15. Першин С.М., Адикс Т.Г., Лукьянченко В.Г. , Нигматуллин Р.Р., Потапов А.А. //Нелинейный мир. 2009. В.7. № 2. С.79-90
16. Ружников Л.И., Щербаченко Л.А., Борисов В.С., Максимова Н.Т. и др. Устройство для диагностики функционального состояния крови человека. / Патент РФ. № 2393476. Зарегистр. 27.06.2010. //Б.И. 2010. № 18.
17. Electrets / Ed. by G.M. Sessler. Vol. 1. Morganhill (Ca), 1999.431 p.
Щербаченко Лия Авенировна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой общей физики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1, т. (395-2) 521261, sibmica@yandex.ru Донской Виктор Ильич, кандидат технических наук, ст. препод. кафедра общей физики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1, т. (395-2) 521261, sibmica@yandex.ru
Шурыгина, Наталья Александровна, аспирант, кафедра общей физики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1
Барышников Евгений Сергеевич, аспирант, кафедра физики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1, т. (395-2) 521261
Ежова Лилия Игоревна, студент, физический факультет, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1
Барышников Дмитрий Сергеевич, аспирант, кафедра общей физики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1, т. (395-2) 521261
Васильев Сергей Александрович, аспирант, кафедра общей физики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1
Афанасов Станислав Витальевич, аспирант, кафедра общей физики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1
Ленев Дмитрий Андреевич, аспирант, кафедра общей физики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1
Краснов Дмитрий Александрович, аспирант, кафедра общей физики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1, т. (395-2) 521261
Shcherbachenko Leya Avenirovna, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Donskoy Victor Ilych, candidate of technical sciences, senior teacher, Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Shurigina Natalia Alexandrovna, postgraduate, Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Barishnikov Evgeniy Alexandrovich, postgraduate, Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Ezhova Lilia Igorevna, student, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Barishnikov Dmitry Sergeevich, postgraduate, Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Vasiljev Sergey Alexandrovich, postgraduate, Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Afanasov Stanislav Vitalievich, postgraduate, Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Lenev Dmitry Andreevich, postgraduate, Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
Krasnov Dmitry Alexandrovich, postgraduate, Chair of General Physics, Irkutsk State University, 664003, Irkutsk, K. Marks St., 1
