Феноменологическая модель гидрофобных и гидрофильных взаимодействий
Меньшиков Л.И., Меньшиков П.Л., Федичев П.О.

Received: June 24, 2016

DOI: 10.7868/S0044451017120215

PDF (470.8K)

На основе феноменологической модели полярных жидкостей рассчитаны силы гидратации между макроскопическими телами на расстояниях нм в чистой воде. Показано, что в зависимости от свойств поверхностей тел взаимодействующие поверхности по-разному поляризуют жидкость, а смачивающие свойства поверхностей полностью характеризуются двумя параметрами. Если поверхности гидрофильные, то молекулы жидкости поляризованы перпендикулярно им, а взаимодействие является отталкивающим и короткодействующим (силы взаимодействия экспоненциально убывают на характерной длине нм). Взаимодействие между гидрофобными поверхностями отличается большим разнообразием и менее изучено. Если при нм в его характере имеются универсальные свойства, то при нм оно существенно зависит от свойств поверхностей и расстояния между ними, а также от состава полярной жидкости. В полном согласии с имеющимися экспериментами показано, что если границы раздела в основном гидрофобны, то при нм взаимодействие является притягивающим и относительно дальнодействующим ( нм). В этом случае результирующая поляризация молекул воды параллельна поверхностям. Показано, что силы гидратации определяются нелинейными эффектами поляризации жидкости в объеме или аналогичной нелинейностью взаимодействия воды с погруженным телом. Это означает, что силы взаимодействия не могут быть правильно рассчитаны в приближении линейного отклика. Силы, действующие между гидрофобными или гидрофильными поверхностями, по природе являются, соответственно, энтропийными или электростатическими. Показано, что гидрофобная и гидрофильная поверхности при нм отталкиваются друг от друга. Рассчитанная величина их взаимодействия согласуется с экспериментами. Предсказано существование промежуточного режима, когда тело не может упорядочить молекулы жидкости, что приводит к значительно более слабому и притягивающему взаимодействию, уменьшающемуся обратно пропорционально квадрату расстояния между поверхностями тел. Обсуждается степень отличия микроскопической структуры жидкостей, заключенных в нанообъемах, от жидкостей в больших объемах. Предложенная модель применима для количественного описания свойств воды при температурах T, удовлетворяющих условию , где K - температура сегнетоэлектрического фазового перехода, наблюдаемого в переохлажденной воде. При нормальных условиях модель может быть использована для качественных оценок.