Исследование дисперсии диэлектрических характеристик адсорбированной воды акустоэлектрическим методом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Базарова Саяна Бимбаевна

• Базарова Саяна Бимбаевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Базарова Саяна Бимбаевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Вода в объемной и граничной жидкой фазе, электроакустические методы ее исследования

1.1. Современные представления о структуре и свойствах воды

1.2. Измерение диэлектрических свойств воды в объемной жидкой фазе

1.3. Графические методы изучения диэлектрических свойств

1.4. Межфазная вода и ее физические свойства

1.5. Расчетные и экспериментальные методы исследования

межфазной воды

Выводы по главе

Глава 2. Дисперсия поверхностных акустических волн и диэлектрических свойств адсорбированной воды

2.1. Дисперсия поверхностных акустических волн в планарных системах с жидким слоем

2.2. Тонкий слой жидкости на поверхности изотропного твердого тела

2.3. Тонкий слой жидкости на поверхности пьезоэлектрика

2.4. Дисперсия диэлектрических свойств адсорбированной воды в области

частот, соответствующих релаксации Дебая

Выводы по главе

Глава 3. Инструментарий исследования диэлектрических характеристик адсорбированной воды

3.1. Методика определения диэлектрических свойств адсорбированной воды

3.2. Экспериментальная установка и измерительная ячейка

3.3. Определение толщины адсорбционного слоя

3.4. Возбуждение и регистрация упругих волн на поверхности

пьезоэлектрического звукопровода

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальное изучение дисперсии диэлектрических свойств адсорбированной воды в области частот, соответствующих

дебаевской релаксации

4.1. Связь дисперсии скорости поверхностных акустических волн с изотермой адсорбции водяного пара

4.2. Изменение затухания поверхностных акустических волн в зависимости от относительного давления пара

4.3. Дисперсия диэлектрической проницаемости граничной воды при фиксированных значениях толщины адсорбционного слоя

4.4. Изменение диэлектрических параметров адсорбированной воды в

зависимости от относительного давления пара

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение

Приложение

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

К числу фундаментальных свойств материи относится диэлектрическая поляризация, характеризующая взаимодействие электромагнитного поля с атомами и молекулами вещества. Важнейшими параметрами жидкости являются её диэлектрические характеристики. Исследования диэлектрических свойств жидкости позволяют получать информацию о её молекулярной структуре, межмолекулярных взаимодействиях и механизмах молекулярных процессов. В связи с бурным развитием наноиндустрии, в частности с созданием наноструктурированных материалов, необходимо более детально и глубоко исследовать процессы, происходящие на границе раздела фаз «жидкий слой -твердое тело».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование дисперсии диэлектрических характеристик адсорбированной воды акустоэлектрическим методом»

Актуальность темы исследования.

При контакте твердой и жидкой фаз под воздействием дальнодействующих поверхностных сил в жидкости формируется граничный слой (межфазная вода), который обладает измененной структурой отличной от структуры объемной жидкости. Межфазная вода характеризуется физическими свойствами, значительно отличающимися от свойств объемной воды, включая такие параметры, как плотность, вязкость, сжимаемость и диэлектрическая проницаемость. Структурные изменения вязкоупругих и диэлектрических свойств межфазной воды (mterfacial water), несмотря на значительные усилия, все еще недостаточно изучены. Это обстоятельство препятствует пониманию многих природных и технологических физико-химических процессов. Исследования диэлектрических свойств являются актуальными, поскольку позволяют получать информацию о молекулярной структуре вещества, а также о кинетических процессах, происходящих в них на молекулярном уровне. К граничным слоям относятся тонкие прослойки, смачивающие пленки, а также адсорбционные слои.

Несмотря на широкое применение смачивающих пленок и адсорбционных слоев воды в различных технологических процессах, имеющиеся данные о диэлектрических характеристиках межфазной воды остаются противоречивыми

[1-3]. Это связано с тем, что поведение воды вблизи поверхности существенно отличается от объемной воды из-за влияния поверхностных сил, которые изменяют ее структуру и динамику. Исследование диэлектрических свойств адсорбированной воды с использованием существующих экспериментальных методов наталкивается на ряд сложностей, связанных с несколькими факторами. Во-первых, малый размер объекта исследования, который часто составляет всего несколько нанометров, затрудняет применение традиционных методов измерения, таких как диэлектрическая спектроскопия, требующих значительных объемов вещества для получения достоверных данных. Во-вторых, изменчивая структура, зависящая от поверхностных сил. В-третьих, динамическая природа равновесного состояния межфазной воды, что усложняет получение стабильных и воспроизводимых результатов.

Сложность теоретических вычислений при оценке диэлектрических свойств межфазных жидкостей мотивирует к поиску альтернативных подходов. Особую ценность приобретают разрабатываемые методы экспериментальных измерений.

Упругие поверхностные волны, взаимодействующие со слоем жидкости на поверхности пьезокристалла, восприимчивы к малым изменениям вязкоупругих и диэлектрических свойств этой жидкости. Однако, влияние жидкого слоя на упругие параметры твердого тела [4] и особенности акустоэлектрического взаимодействия [5], обуславливающие дисперсию поверхностных акустических волн (ПАВ) в слоистой системе, все еще не изучены. Кроме всего прочего, акустоэлектрические методы определения диэлектрических характеристик жидкости в тонком слое недостаточно разработаны.

Наличие межфазной границы приводит к существенному изменению структурно-зависимых свойств: вязкости и времени диэлектрической релаксации [5, 6]. Однако, характер и степень отличия времён диэлектрической релаксации адсорбированной воды от воды в объёмной жидкой фазе не выявлены.

Адсорбированная вода, рассматриваемая как термодинамическая система, обладает рядом ключевых параметров, таких как температура, потенциал межмолекулярного взаимодействия, энергия межфазных границ и толщина

адсорбционного слоя. Эти параметры определяют физико-химические свойства адсорбированной воды и её поведение в различных условиях. Эти характеристики играют определяющую роль в формировании физико-химических свойств адсорбированной воды, а также в её поведении при различных внешних условиях. С увеличением толщины адсорбционного слоя наблюдаются значительные структурно-кинетические изменения, которые, в свою очередь, приводят к изменению диэлектрических свойств данной системы. Молекулы воды, находящиеся вблизи поверхности адсорбента, испытывают сильное влияние со стороны поверхности, что приводит к изменению их ориентации, подвижности и взаимодействия друг с другом. По мере удаления от поверхности влияние адсорбента ослабевает, и свойства воды начинают приближаться к свойствам объёмной воды. Однако, экспериментальные данные диэлектрических характеристик адсорбированной воды и их зависимости от толщины адсорбционного слоя отсутствуют.

Исследование диэлектрических свойств адсорбированной воды на одной фиксированной частоте не позволяет получить полную картину из-за сильной зависимости частотного диапазона диэлектрической релаксации от толщины адсорбционного слоя. Это делает актуальным изучение дисперсионных характеристик адсорбированной воды при различных толщинах слоя. В тонких слоях поведение молекул воды отличается от их поведения в объемной фазе, поскольку поверхность ограничивает их подвижность и влияет на ориентацию. В результате диэлектрические свойства адсорбированной воды зависят от толщины слоя, что проявляется в изменении частот релаксации и их характеристик.

Степень разработанности темы исследования. До настоящего времени систематических исследований диэлектрических свойств адсорбированной воды акустоэлектрическими методами не проводилось. В результате анализа научных работ отечественных и зарубежных авторов обнаружены следующие недостатки (пробелы) в исследовании диэлектрических характеристик воды в граничной фазе

[1-3, 5]:

1. Не выявлены особенности, учитывающие механическую и электрическую природу дисперсии ПАВ, акустоэлектрического взаимодействия поверхностных волн с адсорбированной водой, позволяющие использовать их в качестве инструмента исследования диэлектрических свойств.

2. Неизвестны характер и степень отличия времени диэлектрической релаксации адсорбированной воды от воды в объёмной жидкой фазе.

3. На основе анализа литературных источников известно, что структуры объёмной и межфазной воды существенно различаются, однако инструментарий исследования диэлектрических свойств адсорбированной воды практически не разработан.

4. Отсутствуют экспериментальные данные диэлектрических свойств адсорбированной воды и их зависимости от толщины адсорбционного слоя при фиксированных значениях частоты.

5. Не изучены частотные зависимости диэлектрических характеристик адсорбированной воды для разных толщин адсорбционного слоя.

Целью работы является исследование частотной зависимости статических и динамических диэлектрических свойств адсорбированной воды в условиях влияния силового поля твердой поверхности.

Для достижения цели научного исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ дисперсии поверхностных акустических волн в слое воды, адсорбированной на поверхности пьезоэлектрического звукопровода, с частотной зависимостью её диэлектрических характеристик.

2. Разработать инструментарий исследования диэлектрических характеристик воды, адсорбированной на поверхности пьезоэлектрического звукопровода.

3. Провести экспериментальное исследование зависимости диэлектрических характеристик граничной воды от толщины адсорбционного слоя при фиксированных значениях частоты.

4. Экспериментально исследовать дисперсию комплексной диэлектрической проницаемости воды в адсорбционных слоях фиксированной толщины.

Объектом исследования являются адсорбированные слои воды на гидрофильной поверхности ниобата лития.

Предметом - диэлектрические характеристики адсорбированной воды.

Научная новизна работы:

1. Для определения диэлектрических характеристик адсорбированной воды предложено использовать изменение параметров ПАВ под влиянием изменения условий распространения этих волн в слоистой системе.

2. Впервые на основе аналитического описания дисперсии ПАВ в слоистой структуре «пьезоэлектрик - тонкий слой жидкости» разработана методика определения диэлектрических свойств адсорбированной воды.

3. Впервые экспериментально исследованы зависимости действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости адсорбированной воды от толщины адсорбционного слоя (в диапазоне от 2 до 13 нм) при фиксированных частотах (в диапазоне от 40 - 400 МГц).

4. Показано, что частотный диапазон дебаевской диэлектрической релаксации и частота максимума соответствующих диэлектрических потерь увеличиваются с ростом толщины адсорбционного слоя.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Полученные в работе результаты существенно расширяют представление о процессе диэлектрической релаксации в тонких слоях жидкости, сформированных в условиях влияния энергии межфазных границ, а также вносят значительный вклад в понимание межмолекулярного взаимодействия и динамики молекулярных процессов. Проведенный в работе анализ особенностей дисперсии диэлектрических характеристик адсорбированной воды указывает на структурно -кинетические изменения, влияющие на релаксационные процессы. Результаты анализа могут служить основой для развития феноменологической теории диэлектрической релаксации в межфазной воде. Разработанная методика

определения диэлектрических свойств адсорбированной воды открывают новые возможности исследования диэлектрического спектра межфазных жидкостей в области частот, соответствующих дебаевской релаксации.

Результаты работы могут представлять практический интерес при создании ПАВ-сенсоров, устройств электроники и интегральной техники. В частности, акустоэлектрический метод позволяет измерить диэлектрическую проницаемость полярной жидкости в тонком слое на поверхности пьезоэлектрической подложки ПАВ-сенсора. Также представляют интерес как учебный материал в курсе лекций «Молекулярная акустика» в ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова».

Методология и методы исследования. Экспериментальные исследования дисперсии диэлектрических характеристик адсорбированной воды проводились акустоэлектрическим методом, инструментом исследования которой являются поверхностные акустические волны. Слой адсорбированной воды формировался на поверхности звукопровода. Затухание и скорость поверхностных волн изменялись при их взаимодействии с адсорбированной водой. Для определения изменения скорости ПАВ использовался модифицированный интерференционный метод регистрации изменений амплитуды и скорости рэлеевских волн.

Для формирования адсорбционного слоя использовалась измерительная ячейка, в которой толщина слоя задавалась созданием парообразующей жидкостью определенного давления пара над поверхностью подложки при фиксированных температурных условиях. В эксперименте учитывались два ключевых температурных параметра: 1 - температура в зоне адсорбции которая определяла условия взаимодействия молекул пара с поверхностью подложки, и 2 - температура парообразующей жидкости, влияющая на интенсивность испарения и, соответственно, на давление пара в системе. Такая методика позволяла задавать толщину адсорбционного слоя и контролировать процесс его формирования.

С целью измерения толщины адсорбционного слоя и построения изотермы адсорбции, т.е. зависимости толщины от относительного давления пара Ь(р1р3), была разработана специальная измерительная ячейка. Изотерма адсорбции

определялась непосредственно перед началом каждого экспериментального измерения диэлектрических характеристик.

В адсорбционном слое заданной толщины величину вещественной диэлектрической проницаемости воды определяли по изменению скорости ПАВ акустоэлектрическим методом.

Положения, выносимые на защиту:

1. Нарушение линейной дисперсии поверхностных акустических волн при их распространении в системе «пьезоэлектрический звукопровод - слой адсорбированной воды» в основном обусловлено особенностями диэлектрической релаксации в адсорбированной воде (межфазной воде), связанными с существенным изменением времени релаксации под влиянием твердой поверхности.

2. Диэлектрические характеристики воды, адсорбированной на поверхности пьезоэлектрического звукопровода, можно определять из акустических измерений параметров упругих поверхностных волн.

3. Дисперсия диэлектрических характеристик адсорбированной воды, как и в случае объемной воды и льда, содержит область релаксации Дебая. В результате влияния силового поля твердой поверхности частота дебаевской релаксации адсорбированной воды (106 Гц - 108 Гц при Т = 293 К) меньше, чем для объемной

1П ^

воды (1,69 • 10 Гц при Т = 293 К) и больше, чем для льда (7,96 • 10 Гц при Т = 273 К).

4. Параметры дебаевской релаксации адсорбированной воды в большей степени изменены вблизи твёрдой поверхности, т.е. при минимальной толщине адсорбционного слоя. Отличие релаксационных параметров (в', е", в„, вю, т) адсорбированной воды от объемной воды уменьшается по мере роста толщины адсорбционного слоя.

5. При одной и той же температуре в адсорбированной воде время диэлектрической релаксации существенно больше, чем в объемной воде. Например, при толщине адсорбционного слоя И = 2,2 нм время диэлектрической

_ О

релаксации т = 1,45 • 10 с, для объемной воды при той же температуре T = 293 K время релаксации т = 9,43 • 10 - 12 с.

Степень достоверности результатов и апробация работы

Достоверность основных положений и выводов диссертационной работы подтверждаются воспроизводимостью полученных экспериментальных результатов и их согласованием с рядом теоретических постулатов и численных оценок.

Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты получены при определяющем участии автора. Анализ проблемы, постановка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем. Автором разработана методика измерения, проведены все аналитические расчеты и эксперименты. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами. Содержание диссертационной работы отражает персональный вклад автора в опубликованных работах.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. International Conference on Materials Science (Mongolia, Ulaanbaatar, 2020, 2021

г.);

2. Международной конференции «Пленки и покрытия» (г. Санкт-Петербург, 2019, 2021 г.);

3. VII Международном Российско-Белорусском семинар-конференции, посвященной 300-летию Российской академии наук «Новые наноматериалы и их электромагнитные свойства» (Республика Бурятия, 2023 г.);

4. Международной конференции «Наноматериалы и технологии - VIII» (г. Улан-Удэ, 2018 г.);

5. VII Международной научной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2018 г);

6. IV Междисциплинарном научном форуме с международным участием «Новые материалы и перспективные технологии» (г. Москва, 2018 г.);

7. Сессии Российского акустического общества (г. Москва, 2019, 2023, 2024 г.);

8. Национальной конференции «Образование и наука» (г. Улан-Удэ, 2018, 2021, 2022, 2023, 2024 г.);

9. Конференциях по фундаментальным и прикладным проблемам физики (г. Улан-Удэ, 2018, 2020, 2022, 2023, 2024 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 35 работах, в т.ч. в 6 научных изданиях, рекомендованных ВАК, 6 статьях в научных изданиях, индексируемых в международных базах данных Web of Science и Scopus.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 144 наименований, содержит 138 страниц текста, включая 40 рисунков и 2 таблиц.

Глава 1. Вода в объемной и граничной жидкой фазе, электроакустические

методы ее исследования

1.1. Современные представления о структуре и свойствах воды

Несмотря на то, что вода является одним из наиболее изученных веществ, ее атомно-молекулярная динамика до сих пор остается предметом дискуссий. Воде присущи необычные свойства: аномально высокие температуры плавления и кипения по сравнению со сходными соединениями (гидридами); при охлаждении

-5

ее плотность увеличивается, достигая максимума до 1г/см при Т = 4°С. Необычно широк температурный интервал жидкого состояния столь низкомолекулярного соединения. С учетом возможных температур переохлаждения (- 40°С) и перегрева (+ 200°С) этот интервал доходит до 240 °С. Также аномально высока теплоемкость воды (4200) Дж/(кг°С), которая к тому же вдвое больше, чем у льда (2100) Дж/(кг °С), что тоже необычно, так как для других веществ переход жидкость-кристалл почти не изменяет теплоемкость. Электрические характеристики воды исследуются на протяжении длительного времени. При температуре, близкой к комнатной, вода демонстрирует отличные диэлектрические свойства, и является хорошим диэлектриком со статической диэлектрической проницаемостью е(0) ~ 80. Кроме того, вода обладает крайне низкой электронной проводимостью, при этом ширина запрещенной зоны достигает порядка ~5 эВ.

При изоструктурности какой-то группы соединений никаких аномалий в физических свойствах быть не должно, поэтому естественно ожидать, что необычность свойств жидкой воды связана с необычностью ее структуры, по сравнению со структурами других сравниваемых с ней соединений.

Наиболее общепризнанными и известными моделями структуры и свойств воды являются: подход Бернала и Фаулера предполагающий существование в воде льдоподобных образований [7], концепция М. Аджено, согласно которой мельчайшие агрегаты воды образуют кольцевые структуры [8], модель непрерывной сетки, предложенная Поплом [9], кластерная модель Немети и

Шераги [10, 11], клатратная структура, описанная Самойловым [12], а также современные модели, основанные на компьютерном моделировании [13-35] и т.д. В настоящее время задача корректного описания структуры молекулы воды не решена в своей основе, поэтому нет общепринятой теории, которая удовлетворяла бы всем наблюдаемым физическим свойствам.

Бернал и Фаулер для изучения молекулярной структуры молекулы Н20 в конденсированном состоянии использовали рентгеновские лучи [7]. На основе спектроскопических и рентгенографических данных определили, что структура воды имеет тетраэдрическую конфигурацию: кислород занимает центральное положение, а два атома водорода (протона) находятся на расстоянии около 1 А от атома кислорода и 1,5 А друг от друга так, что угол Н—О—Н составляет около 105°. Была сформулирована гипотеза о предпочтительной ориентации данной молекулы относительно окружающих молекул благодаря электростатическим взаимодействиям между определенными точками положительно и отрицательно заряженных частей.

Рисунок 1.1 - Схема тетраэдрического характера водородной связи в воде

Далее для улучшения модели Бернала - Фаулера было предложено несколько идей, учитывающих неоднородность структуры воды: введены понятия легкой и тяжелой фаз, льдоподобных кластеров, высокой концентрации короткоживущих ионных частиц, переходов жидкость-жидкость, полиаморфизма, понятия воды высокой и низкой плотности [36-42].

Сложность свойств воды привела к появлению множества теоретических и расчетных моделей молекулы воды. В настоящее время компьютерное моделирование является важной частью исследований воды и льда. Основными задачами компьютерного моделирования является предсказание физико-химических свойств, изучение структуры веществ и динамики их изменения под воздействием различных факторов. Метод молекулярной динамики помогает решить эти задачи, моделируя движение частиц с учетом их взаимодействий.

Основной задачей исследований с помощью метода молекулярной динамики является нахождение потенциала межмолекулярных взаимодействий, который бы давал описание экспериментально измеряемых параметров воды, например:

- структурных (плотность, вязкость, поверхностное натяжение);

- электрических (диэлектрическая проницаемость, электропроводность);

- термодинамических (теплоемкость, теплопроводность).

Существует огромное разнообразие трех-, четырех- и пятиточечных моделей молекул воды, которые используются для моделирования различных свойств воды. Наиболее популярными моделями являются SPC/E (Simple Point Charge/Extended - трехточечная модель воды), TIP4P (Transferable Intermolecular Potential with 4 Points - четырехточечная модель воды, в которой добавлена виртуальная точка для более точного учета распределения заряда в молекуле воды), TIP4P/Ice (модификация модели TIP4P, специально разработанная для моделирования льда и воды при низких температурах) и TIP5P (Transferable Intermolecular Potential with 5 Points - ятиточечная модель воды, в которой добавлена пятая точка для учета электронной плотности в виде неподеленных пар электронов) [14, 21, 26-28, 31, 43, 44 - 46].

Электродинамические свойства воды неразрывно связаны с ее структурой и молекулярной динамикой. По ориентации дипольных моментов можно судить об ориентации полярных молекул. Внешнее электрическое поле заставляет полярные молекулы ориентироваться в направлении поля, чему препятствует тепловое движение и межмолекулярные силы. Изучение свойств полярных жидкостей при

наложении внешнего электрического поля является источником информации о характере распределения взаимных ориентаций полярных молекул. В исследованиях, представленных в работах [43, 44], собраны и обобщены данные, касающиеся диэлектрических свойств различных жидкостей, включая воду. Эти данные служат основой для создания теоретических моделей, объясняющих диэлектрическую поляризацию воды. Модель ориентационной поляризации, широко используемая в теориях диэлектрической поляризации жидкостей и растворов, оказывается недостаточной для описания поведения воды. Отсутствие адекватного объяснения уникальных свойств воды в рамках этой модели приводит к тому, что наблюдаемые диэлектрические характеристики интерпретируются как аномальные. Это связано с рядом особенностей воды, которые не учитываются в классической модели. Рассмотрим основные причины, почему модель ориентационной поляризации не справляется с описанием воды: водородные связи; аномально высокая диэлектрическая проницаемость; неидеальность дипольного момента; коллективные эффекты; аномалии плотности и теплоёмкости.

Полоса диэлектрической (дебаевской) релаксации является основной частью широкополосного диэлектрического спектра воды (рисунок 1.2) и одним из наиболее фундаментальных свойств, характеризующих ее молекулярную динамику.

С точки зрения частотной зависимости диэлектрической проницаемости воды е*(ю) = е'(ю) - /е"(ю) (рисунок 1.2 а) имеет место широкая колоколообразная полоса (где е' - диэлектрическая постоянная, е" - мнимая часть, связанная с потерями). Другими словами, для диэлектрического спектра воды характерно изменение диэлектрических параметров или их дисперсия в полосе частот, соответствующих дебаевской релаксации. Если частота внешнего электромагнитного поля низкая, вода просто снижает напряженность электрического поля в 80 раз, что соответствует статической диэлектрической проницаемости е(0). Здесь диэлектрические потери е(0) пренебрежимо малы и соответствуют статической проводимости по постоянному току (рисунок 1.2 б).

Однако, когда электрическое поле изменяется относительно быстро, диэлектрическая проницаемость е'(/) уменьшается (красная кривая на рисунке 1.2 а), поскольку перестройка молекулярной системы неспособна следовать за изменениями электрического поля. Имеет место задержка поляризации Р в реакции воды на изменяющееся электрическое поле Е. Запаздывание во времени между Е и Р означает поглощение электромагнитного излучения, вызванное потерями свободной энергии, и приводит к затуханию электромагнитных волн, проходящих через жидкую среду. Таким образом, формируется полоса релаксации, показанная на рисунке 1.2 в. Рисунок 1.2 в демонстрирует смещение полосы диэлектрической релаксации с повышением температуры в микроволновой области спектра. Эта полоса частот (полоса дебаевской релаксации) была названа в честь Питера Дебая, который сделал первое подробное описание этого явления. На рисунке 1.4. будет более подробно представлен спектр диэлектрических потерь и проводимости.

а

fcü)

"Ч ' • ""Ч .....ч ■ ' • ■ 1 ■Ч ....."Ч

Т=273-373 К

'« 101 ■

10е

1 ' ""Ч ......

Дтлгьтрстчгсыж релдиацш

^ I I 1111^ I 111^

а(/)=е"(/)ес(2я/)

«î U

и g

I

1010 10" ю1

Частота./(Гц)

Частота (Гц)

Рисунок 1.2 - Диэлектрический спектр воды: а) действительная 8 и мнимая 8м части комплексной диэлектрической проницаемости (КДП); б) динамическая проводимость а (Т = 273 - 373 К) в сверхширокополосном диапазоне частот (цветные области соответствуют: красный - диэлектрической (дебаевской) релаксации, синий - атомному (протонному) вкладу, желтый - электронному вкладу); в) 8 и в" часть КДП воды при (Т = 5 - 30 °С) в микроволновой области спектра (точки - экспериментальные данные, линии - модель. Изображение

адаптировано из [41)]

Полоса диэлектрической (дебаевской) релаксации является основной частью широкополосного диэлектрического спектра воды (рисунок 1.2) и одним из наиболее фундаментальных свойств, характеризующих ее молекулярную динамику. Эта теория справедлива в случае любого механизма поляризации при наличии одного времени релаксации т и принимает следующий вид частотной зависимости:

е* = е'- 1е' = е +

х 1

1 + /ют

в' (ю)=

+ ют

2 2 + вх;

в"( ю ) = ^- в ют у ' 1

(1.1) (1.2) (1.3)

2 2 + ю т

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Базарова Саяна Бимбаевна, 2025 год

Список литературы:

1. Симаков И.Г., Гулгенов Ч.Ж. Регистрация изменения амплитуды и скорости рэлеевских волн на поверхности пьезоэлектрика // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика., 2011, № 3, С. 216-220.

2. Симаков И.Г., Гулгенов Ч.Ж. Акустоэлектрические методы исследования жидкостей в граничной фазе. — Новосибирск: Изд-во Сибирского отд-ния РАН, 2019. — 218 с.

Приложение 2

Пример расчета диэлектрических свойств адсорбированной воды методом покоординатного спуска на языке программирования Python с использованием библиотеки SciPy для разных значений толщины.

h = 2,2 нм (p/ps = 0,6)

import numpy as np

from scipy.optimize import curve fit

# Данные

frequencies = np.array([21.6e6, 43.2e6, 64.8e6, 108e6, 129.6e6, 151.2e6, 194.4e6, 216e6, 302.4e6, 388.8e6])

epsilon_prime = np.array([21.382, 9.894, 7.294, 5.891, 5.645, 5.496, 5.332, 5.284, 5.184, 5.143])

# Модель Дебая

def debye model(f, epsilon s, epsilon inf, tau):

return epsilon inf + (epsilon s - epsilon inf) / (1 + (2 * np.pi * f * tau) **

2)

# Начальные параметры initial params = [70, 5, 1e-9]

# Подбор параметров с обработкой ошибок try:

params, covariance = curve fit(debye model, frequencies, epsilon prime, p0=initial params)

# Результаты

epsilon s, epsilon inf, tau = params

# Вычисление ошибок

errors = np.sqrt(np.diag(covariance))

print(f"ss: {epsilon s} ± {errors[0]}, {epsilon inf} ± {errors[1]}, т:

{tau} ± {errors[2]}") except RuntimeError as e:

print(f"Ошибка при подборе параметров: {e}") except Exception as e:

print(f"Произошла ошибка: {e}")

h = 2,8 нм (p/ps = 0,7)

import numpy as np

from scipy.optimize import curve fit # Данные

frequencies = np.array([21.6e6, 43.2e6, 64.8e6, 1 216e6, 302.4e6, 388.8e6])

epsilon prime = np.array([66.594, 42.326, 27.558, 7.840, 6.527, 5.973])

08e6, 129.6e6, 151.2e6, 194.4e6, 15.000, 12.253, 10.488, 8.454,

# Модель Дебая

def debye model(f, epsilon s, epsilon inf, tau):

return epsilon inf + (epsilon s - epsilon inf) / (1 + (2 * np.pi * f * tau) **

2)

# Начальные параметры initial params = [70, 5, 1e-9]

# Подбор параметров с обработкой ошибок try :

params, covariance = curve fit(debye model, frequencies, epsilon prime, p0=initial params)

# Результаты

epsilon s, epsilon inf, tau = params

# Вычисление ошибок

errors = np.sqrt(np.diag(covariance))

print(f"ss: {epsilon s} ± {errors[0]}, {epsilon inf} ± {errors[1]}, т:

{tau} ± {errors[2]}") except RuntimeError as e:

print(f"Ошибка при подборе параметров: {e}") except Exception as e:

print(f"Произошла ошибка: {e}")

h = 3,7 нм (p/ps = 0,8)

import numpy as np

from scipy.optimize import curve fit # Данные

frequencies = np.array([21.6e6, 43.2e6, 64.8e6, 108e6, 129.6e6, 151.2e6, 194.4e6, 216e6, 302.4e6, 388.8e6])

epsilon_prime = np.array([81.006, 76.827, 70.798, 56.876, 50.293, 44.391, 34.836, 31.089, 20.980, 15.565])

# Модель Дебая

def debye model(f, epsilon s, epsilon inf, tau):

return epsilon inf + (epsilon s - epsilon inf) / (1 + (2 * np.pi * f * tau) **

2)

# Начальные параметры initial params = [70, 5, 1e-9]

# Подбор параметров с обработкой ошибок try:

params, covariance = curve fit(debye model, frequencies, epsilon prime, p0=initial params)

# Результаты

epsilon s, epsilon inf, tau = params

# Вычисление ошибок

errors = np.sqrt(np.diag(covariance))

print(f"ss: {epsilon s} ± {errors[0]}, {epsilon inf} ± {errors[1]}, т:

{tau} ± {errors[2]}") except RuntimeError as e:

print(f"Ошибка при подборе параметров: {e}") except Exception as e:

print(f"Произошла ошибка: {e}")

h = 5,8 нм (p/ps = 0,9)

import numpy as np

from scipy.optimize import curve fit # Данные

frequencies = np.array([21.6e6, 43.2e6, 64.8e6, 108e6, 129.6e6, 151.2e6, 194.4e6, 216e6, 302.4e6, 388.8e6])

epsilon_prime = np.array([81.242, 80.921, 80.392, 78.748, 77.659, 76.413, 73.520, 71.911, 64.816, 57.411])

# Модель Дебая

def debye model(f, epsilon s, epsilon inf, tau):

return epsilon inf + (epsilon s - epsilon inf) / (1 + (2 * np.pi * f * tau) **

2)

# Начальные параметры initial params = [70, 5, 1e-9]

# Подбор параметров с обработкой ошибок try :

params, covariance = curve fit(debye model, frequencies, epsilon prime, p0=initial params)

# Результаты

epsilon s, epsilon inf, tau = params

# Вычисление ошибок

errors = np.sqrt(np.diag(covariance))

print(f"ss: {epsilon s} ± {errors[0]}, {epsilon inf} ± {errors[1]}, т:

{tau} ± {errors[2]}") except RuntimeError as e:

print(f"Ошибка при подборе параметров: {e}") except Exception as e:

print(f"Произошла ошибка: {e}")

Приложение 3

УТВЕРЖДАЮ Ректор

ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет

оржн Башарова»,

к.и.н.. доцент /' А.В. Дамдинов «А/» ¿цу-024 1 •

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Базаровой Саяны Бимбаевны на тему «Исследование дисперсии диэлектрических характеристик адсорбированной воды акустоэлектрическим методом» в учебный процесс

Результаты диссертационной работы Базаровой Саяны Бимбаевны на тему: «Исследование дисперсии диэлектрических характеристик адсорбированной воды акустоэлектрическим методом» внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова» на кафедре «общей и теоретической физики», в частности акустоэлектрический метод исследования диэлектрических свойств тонких слоев жидкостей включена в рабочую про|рамму дисциплины «Молекулярная акустика».

Согласовано: Соискатель:

И.о. зав. кафедрой общей и теоретической

физики, к.т.н.. доцент

7