На правах рукописи

Морозов Евгений Владимирович

ПРИМЕНЕНИЕ ЯМР ТОМОГРАФИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ В КОЛЛОИДНЫХ И

МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск — 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Фалалеев Олег Владимирович

Официальные оппоненты: Мисюль Сергей Валентинович, доктор физико-математических наук, доцент (ФГАОУ ВПО Сибирский федеральный университет, заведующий базовой кафедрой физики конденсированного состояния вещества).

Савелов Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник (ФГБУН Институт Международный томографический центр Сибирского отделения Российской академии наук).

Ведущая организация: ФГБУН Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра Российской академии наук.

Защита состоится «22» марта 2013 г. в «» часов на заседании диссертационного совета Д 003.055.02 при Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН по адресу: 660036 Красноярск, Академгородок, 50/38, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Автореферат разослан «29» января 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук Втюрин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность На сегодняшний день дисперсные системы составляют основу развития современных технологий получения функциональных материалов с заданными свойствами [1]. С помощью коллоидных суспензий, золей и гелей различного химического состава, ультрадисперсных порошков и пористых сред получают такие материалы, как фотонные кристаллы, носители активной фазы в катализе, сорбенты, материалы электронной техники и др. [2]. Представленные системы и материалы являются объектами повышенного внимания исследователей в различных областях физики частично-упорядоченных сред. Однако, не смотря на активную работу в данном направлении, многие вопросы все еще остаются нерешенными. Так, актуальными вопросами остаются проблема формирования пространственно коррелированных областей (микроструктуры) в процессе седиментации коллоидных частиц, зарождение и распространение фазы геля при золь-гель переходе, а также тепло- и массоперенос в нефтяных дисперсных системах (НДС) и пористых средах [3-5].

Характерным свойством дисперсных систем является принципиальная гетерогенность, т.е. наличие в системе нескольких фаз, что приводит к формированию межфазных границ, таких как дисперсная фаза/дисперсионная среда, характеризуемых нано- и микропараметрами (в соответствии с масштабом дисперсной фазы). При этом различные процессы, протекающие в дисперсных системах (например, фазовые переходы) приводят к образованию объемных фаз в масштабах, на порядки превышающих размерность образующих систему частиц (например, фаза геля в объеме золя в процессе золь-гель перехода или фаза осадка в процессе седиментации). Соответственно, формируемые данными процессами границы характеризуются уже макропараметрами. Исследование макропараметров, морфологии, структуры и динамики межфазных границ представляет важную задачу, поскольку дает возможность получать информацию о самой природе протекающих процессов. Одним из перспективных методов исследования межфазных границ является метод ЯМР томографии (МРТ), обеспечивающий возможность неразрушающего контроля объектов исследования. Получив наибольшее развитие в биомедицинских приложениях, сегодня МРТ активно внедряется в область науки о материалах [6-7]. Однако существуют значительные экспериментальные сложности внедрения данного метода для исследования дисперсных систем, связанные с обеспечением необходимого для визуализации контраста. Кроме того, отсутствует единая методология применения МРТ для исследования межфазных границ. Поэтому особенно актуальным является разработка единого подхода в рамках данного метода. Таким образом, исследование практически важных материалов с помощью достаточно нового для данной области метода обеспечивает фундаментальную и прикладную значимость данной работы.

Цель работы Экспериментальное изучение морфологии, структуры и динамики межфазных границ, формируемых в коллоидных суспензиях сферических частиц полиметилметакрилата (ПММА), золях и гелях ультрадисперсных алмазов (УДА) и кремнезема, нефтяных дисперсных системах и коллоидно-кристаллических средах ПММА в ходе протекающих в них процессов, с помощью 1Н ЯМР томографии в рамках единой методологии. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать формирование фаз чистой воды, суспензии, осадка с измерением динамики и свойств соответствующих межфазных границ в коллоидных суспензиях сферических частиц ПММА с диаметрами нм, 350 нм и 475 нм в контейнерах различной геометрии в зависимости от концентрации, в процессе гравитационной седиментации;

- исследовать формирование фаз в золях кремнезема (полученных на основе силикатов щелочных металлов, пеносиликата, базальтовой минеральной ваты) и УДА в процессе испарения дисперсионной среды и золь-гель перехода с характеризацией соответствующих межфазных границ, а также измерить динамику изменения распределения воды в различных фазах геля в процессе его полного высыхания;

- исследовать формирование межфазной границы, ее динамику и свойства в процессе теплового размягчения тяжелых нефтяных дисперсных систем;

-исследовать динамику фронта пропитки коллоидно-кристаллических сред, образованных упаковкой сферических частиц ПММА диаметром 300 нм, с соответствующим расчетом свойств материалов.

Научная новизна и практическая значимость С помощью ЯМР томографии впервые исследована зависимость динамики границ чистая среда/суспензия и суспензия/осадок от размера частиц, их концентрации, геометрии контейнера в процессе седиментации коллоидных суспензий ПММА. Показано влияние каждого из параметров и дано объяснение обнаруженных эффектов.

Впервые ЯМР томографически визуализировано образование межфазных границ золь/гель принципиально разного типа в процессе гелеобразования в золях кремнезема и УДА и исследована их динамика. На основе Т1, Т2 релаксационных измерений дано объяснение обнаруженным эффектам. Также впервые визуализировано распределение воды в пористой структуре геля в процессе его высыхания и измерена релаксационная динамика каждой присутствующей фазы.

Впервые исследована динамика тепло- и массопереноса в оптически непрозрачных тяжелых НДС и коллоидно-кристаллических средах ПММА с помощью ЯМР томографии, и на основе экспериментальных данных произведены соответствующие расчеты. Практическая значимость диссертационных исследований определяется возможностью практического применения полученных результатов для качественного понимания протекающих в дисперсных системах процессов, а также созданием предпосылок для разработки соответствующих технологий в области приготовления инверсных опалов или специальной переработки НДС.

Научные положения, выносимые на защиту 1. Результаты исследования динамики межфазных границ чистая среда/суспензия и суспензия/осадок в коллоидных суспензиях сферических частиц ПММА в зависимости от их концентрации, диаметра и геометрии контейнера, в процессе гравитационной седиментации; зависимость скорости и толщины границ от данных параметров.

2. Вывод о формировании микроструктуры в системе оседающих коллоидных частиц вплоть до чисел Пекле (Pe) ~ 10-4, основанный на влиянии геометрии контейнера на функцию стесненного осаждения.

3. Морфология и динамика формирующихся фаз геля с соответствующими границами золь/гель различного типа в золях кремнезема и УДА;

Т1,Т2 релаксационная динамика фаз в процессе временной эволюции.

4. Визуализация формирования и развития фазы размягченной нефти в НДС в результате тепловой обработки, что сопровождается распространением фронта размягчения и возникновением конвективных потоков.

5. Результаты измерения динамики движения фронта пропитки в крупнокристаллических и порошкообразных образцах коллоидно-кристаллических сред ПММА, обнаружение нестабильности фронта пропитки при движении в пористой среде порошкообразного образца.

Апробация работы Основные результаты диссертации обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях: 11-ая Международная конференция по магнитно-резонансной микроскопии (ICMRM’11), Пекин, 2011; 6-й, 7-й и 9-й Международные симпозиумы «Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах» (NMRCM’6, NMRCM’7, NMRCM’9), СанктПетербург, 2009, 2010 и 2012; XII и XIII Международные молодежные научные школы «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его приложений», Казань, 2009 и 2010; 1-ая и 2-ая Всероссийские молодежные школы «Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике», Новосибирск, 2010 и 2012; 1-ая Всероссийская научная конференция «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов», Новосибирск, 2009; Научно-техническая конференция с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение. V Ставеровские чтения», Красноярск, 2009; IX Молодежный Семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества, Екатеринбург, 2008.

Личный вклад Автор принимал активное участие в постановке и обсуждении задач, проводил томографические эксперименты и анализ полученных результатов, а также участвовал в приготовлении образцов для исследования.

Публикации Основные результаты диссертации изложены в 18 печатных работах, из них 6 статей в рецензируемых журналах (4 статьи в журналах по списку ВАК), 12 в сборниках трудов и тезисах международных и всероссийских конференций и симпозиумов.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, двух приложений, выводов, списка работ по тематике диссертации и цитируемой литературы, изложена на 132 страницах, включает 72 рисунка и 5 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 148 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемых в диссертации проблем, формулируется цель и задачи исследования. Обозначена научная новизна и практическая ценность работы. Описывается структура диссертации, отмечен личный вклад автора и приводятся сведения об апробации представленных результатов.

Первая глава посвящена литературному обзору, раскрывающему физическую основу метода ЯМР томографии. Представлены характерные особенности ядерного магнитного резонанса, изложенные без использования квантово-механического описания, поскольку движение ансамбля спинов во внешнем магнитном поле может быть описано прецессией всего лишь одного вектора намагниченности M, являющегося суммой векторов отдельных ядерных магнитных моментов спиновой системы. С его помощью описано формирование сигнала в форме спада свободной индукции и явление ядерной магнитной релаксации. Далее введена идея локализации спинов с помощью градиентов магнитного поля, накладываемых линейно на основное магнитное поле В0, и по амплитуде много меньших его. В присутствии градиента магнитного поля ларморовская частота наделяется пространственной информацией [8]:

где i - частота протонов в позиции ri, G - вектор, представляющий общую амплитуду и направление градиента. Наложение срез-селективного градиента, а также градиентов частотного и фазового кодирования в трех взаимно перпендикулярных направлениях дает возможность выделить в пространстве заданный участок (срез) и с помощью формализма k-пространства, где k=Gt/2 является Фурье сопряженным с r, представить распределение спиновой плотности на изображении (томограмме). Также в данной главе представлены основные МРТ методики, применяемые в данной работе, с соответствующими им импульсными последовательностями и схемами заполнения k-пространства. В заключение, раскрывается идея контраста томографического изображения.

Во второй главе представлено подробное описание дисперсных систем, как образований из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. В соответствии с литературными