Исследование динамики формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов

Хижняк, Евгений Евгеньевич

Автореферат диссертации по теме "Исследование динамики формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов"

На правах рукописи

004603172

ХИЖНЯК Евгений Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМОКЛАСТЕРОВ В ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЯХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

03.01.02 - Биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пущино - 2010

- 3 июн 2010

004603172

Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН и Университете штата Вашингтон, г. Сиэтл, США

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Цыганов Михаил Аркадьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Смолянинов Владимир Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор

Берестовский Генрих Николаевич

Ведущая организация: Московский Государственный

Университет им. М. В.Ломоносова. Физический факультет

Защита состоится «26» мая 2010 г. в 13 :30 на заседании совета Д 002.093.01 по защите докторских и кандидатских диссертации при Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН по адресу: 142290, город Пущино Московской области, ул. Институтская 3.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной библиотеке НЦБИ РАН по адресу: 142290, город Пущино Московской области, ул. Институтская 3, ИТЭБ РАН.

Автореферат разослан « 26 » апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов формирования макроскопических, пространственно-упорядоченных температурных неоднородностей (термокластеров), спонтанно возникающих в пограничных слоях водных растворов. Основная проблема, определяющая важность данных исследований, состоит в том, что при проведении многих биофизических экспериментов и интерпретации их результатов, вода и водные растворы считаются макроскопически однородными, гомогенными системами. В последние годы была продемонстрирована возможность формирования макроскопических термоструктур в поверхностных слоях воды, что в корне меняет представления о пространственной независимости физико-химических процессов в жидких средах.

Достаточно подробно исследованы диссипативные структуры в жидких средах, обусловленные искусственно созданным вертикальным градиентом температуры (ячейки Бенара), а так же - термоструктуры, которые формируются в поверхностных слоях воды за счет температурных градиентов при испарении жидкости с поверхности.

Однако процессы формирования термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов на сегодняшний день практически не изучены и механизм их формирования не ясен.

Сложность данной проблемы связана с тем, что при наличии температурных градиентов, обусловленных испарением, в водно-спиртовых растворах одновременно возникают концентрационные градиенты. Этанол по отношению к воде является поверхностно-активным веществом (ПАВ), поэтому при его контакте с водой могут возникать локальные изменения поверхностного натяжения, при этом адсорбированному на поверхности воды ПАВ достаточно создать тонкую пленку толщиной всего в одну молекулу (так называемый гиббсовский монослой). Процесс распространения этанола по поверхности воды приводит к возникновению дополнительных горизонтальных температурных градиентов, обусловленных экзотермическим процессом при растворении этанола в воде. При таких условиях конвективные и диффузионные процессы неразрывно связаны друг с другом, поэтому они рассматриваются как конвективно-диффузионные.

Конвективные и диффузионные процессы играют важную роль в функционировании живых систем и могут оказывать существенное влияние на результаты биофизических экспериментов, которые проводятся в водных растворах в условиях т-х'иго при возможности испарения с поверхностного слоя (в чашках Петри или на предметном стекле под микроскопом).

Механизмы формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов важны для понимания процессов зарождения предшественников живых клеток на границе океан-атмосфера. Современная гипотеза Твердислова В.А. и Яковенко Л.В. основана на том, что при испарении воды в поверхностном слое возникает температурный градиент - «холодная пленка», в которой формируются диссипативные структуры, обусловленные взаимодействием конвективных и термодиффузионных потоков, приводящих к фракционированию ионов.

Самопроизвольное перемещение термокластеров в какой-то степени эквивалентно процессу перемешивания в очень тонком поверхностном слое, что имеет важное значение для биотехнологии.

Параметры конвективно-диффузионных процессов в поверхностных слоях многокомпонентных водных растворов важны для разработки новых методов очистки водных поверхностей от органических загрязняющих веществ, что имеет важное экологическое значение.

Конвективно-диффузионные процессы играют важную роль в механизмах биологических эффектов электромагнитных излучений, в особенности -миллиметрового диапазона длин волн, поскольку излучения этого диапазона достаточно быстро поглощаются в биологических тканях, что приводит к возникновению резких температурных градиентов. Важно отметить, что вода является основной мишенью, определяющей поглощение энергии излучений, причем, согласно многочисленным литературным данным, поглощение «связанной» воды, то есть воды в области контакта с гидрофильными или гидрофобными поверхностями, существенно отличается от поглощения «свободной» воды.

Свойства воды в области контакта с различными компонентами биологических тканей (так называемого «пограничного слоя воды») гораздо менее изучены по сравнению со свойствами объемной воды. Согласно классическим представлениям, влияние поверхности распространяется на несколько молекулярных слоев воды в области контакта. В коллоидных системах эффекты отталкивания, обусловленные размерами частиц раствора, могут простираться и на несколько диаметров частиц.

В последние годы в литературе появились сообщения об эффектах дальнего действия. В качестве экспериментального доказательства Дж. Поллак приводит эффект вытеснения микросфер из области контакта воды с гидрофильными поверхностями. Аналогичный эффект наблюдается вблизи открытых поверхностей воды и водных растворов. Характерный размер пограничного слоя, свободного от растворенных микросфер, может достигать десятых долей миллиметра. Такие зоны получили название «зон исключения» (от английского термина "exclusion zone"). В рамках современной теории такие эффекты являются аномальными, и механизм формирования таких зон до настоящего времени остается дискуссионным.

Данный эффект может быть обусловлен как процессом отталкивания микросфер за счет заряда на контактных поверхностях, так и возможно специфическими свойствами воды в зоне исключения. В последнем случае такие эффекты могут оказывать влияние на процессы вблизи биологических мембран и на процессы формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов. Экспериментальная проверка гипотезы об «особых» свойствах воды в зоне исключения микрочастиц возможна с применением методов, не требующих присутствия микрочастиц в зоне контакта воды с гидрофильной поверхностью, что является одной из задач данной работы.

Среди перечисленных процессов, влияющих на формирование термокластеров, наибольшая сложность связана с экспериментальным изучением в наземных условиях капиллярной конвекции Марангони, причем вода считается самой непригодной для таких исследований жидкостью.

Последние работы в этой области, проведенные А.Л.Зуевым с использованием интерференционного метода, относятся к исследованиям термокапиллярных и концентрационно-капиллярных конвективных течений Марангони, возникающих в жидких средах вблизи поверхности раздела фаз. Примененный метод, позволяющий регистрировать разность концентраций в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов за счет разности коэффициента преломления, весьма трудоемок, имеет ряд существенных ограничений по скорости и не позволяет регистрировать распространение теплового фронта.

Процесс нагрева существенно осложняет исследования концентрационно-капиллярной конвекции Марангони в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов при использовании стандартных методов регистрации. Метод инфракрасной термографии открывает возможность визуализации теплового фронта, который формируется за счет экзотермической реакции при контакте этанола с водой в процессе концентрационно-капиллярных конвективных течений по поверхности воды, включая возможность количественных температурных измерений при высокой скорости регистрации.

Цель работы: Экспериментальное исследование конвективно-диффузионных процессов, связанных с формированием термокластеров в пограничных слоях воды и водных растворов, с использованием метода прецизионной инфракрасной (ИК) термографии.

Задачи исследования:

1. Разработка метода термографической визуализации концентрационно-капиллярных конвективных течений на поверхности жидких сред;

2. Исследование особенностей ИК излучения с открытых поверхностей водно-спиртовых растворов и пограничного слоя воды в области контакта с гидрофильной поверхностью полимера Нафион-117;

3. Исследование динамики формирования макроскопических температурных неоднородностей в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов;

4. Исследование роли капиллярной конвекции и экзотермических диффузионных процессов в механизмах формирования термокластеров;

5. Исследование роли микро-конвективных процессов в механизмах биологических эффектов электромагнитных излучений нетепловых интенсивностей.

Научная новизна.

Доказана возможность использования метода ИК термографии для визуализации распространения теплового фронта, обусловленного концентрационно-капиллярными конвективными течениями Марангони и экзотермической реакцией, развивающейся при диффузии этанола в поверхностный слой воды. Метод открывает новые возможности исследования концентрационно-капиллярной конвекции Марангони в земных условиях.

Выявлены существенные различия процессов формирования и эволюции термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов по сравнению с термоструктурами на открытых поверхностях воды. Обнаружена возможность развития теплового фронта и возникновения микро-вихрей при контакте паров этанола с поверхностью воды.

Обнаружен эффект торможения и взаимного отталкивания встречных температурных фронтов в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов.

Практическая значимость работы.

Полученные результаты имеют важное научно-методическое значение для планирования и интерпретации результатов биофизических экспериментов, которые проводятся в водных растворах с открытыми поверхностями. Термокластеры трансформируют поверхностный слой водных растворов в неоднородную систему, в то время как сами растворы рассматриваются как однородные жидкости. При проведении биологических исследований необходимо учитывать, что в области термокластеров формируются значительные градиенты температур, неоднородности поверхностного натяжения, направления и скоростей конвективных потоков. Перемещение термокластеров эквивалентно процессу конвективного перемешивания в очень тонком поверхностном слое, что может найти применение в биотехнологии. Полученные результаты могут найти применение при разработке искусственных кровезаменителей и новых методов очистки водных поверхностей от органических загрязнителей.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 5 научных конференциях (в том числе 4 международных): Конференции по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине» (Москва, 2006), Международном симпозиуме «Биологическая подвижность: фундаментальные исследования и практика» ("Biological motility: basic research and practice", Пущино, 2006), Международных конференциях по физике, химии и биологии воды (International Conference on "The Physics, Chemistry and Biology of Water", West Dover, США, 2006,2007 и 2008).

Апробация диссертации состоялась на совместном заседании секций Ученого Совета ИТЭБ РАН «Биофизика сложных систем - биосинергетика» и «Молекулярная биофизика и бионанотехнологии».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 статей в Российских и зарубежных журналах, из них 3 в рекомендованных ВАК РФ журналах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, в которых представлены обзор литературы, методика, результаты собственных исследований, их обсуждение, выводы, практические рекомендации, список литературы. Работа изложена на 102 страницах и иллюстрирована 32 рисунками. Список литературы представлен 123 источниками отечественных и зарубежных авторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В поверхностных слоях водно-спиртовых растворов, при наличии испарения, развивается эффект спонтанного термо-структурирования. Поверхностный слой таких растворов становится неоднородным по температуре, концентрации компонент раствора, поверхностному натяжению, скорости и направлению конвективных потоков.

2. В поверхностных слоях многокомпонентных водных растворов могут одновременно формироваться несколько типов динамических термокластеров с различными пространственно-временными параметрами и температурными градиентами.

3. Быстрая фаза формирования термокластеров в водно-спиртовых растворах обусловлена концентрационно-капиллярной конвекцией Марангони.

4. Эффект взаимоотталкивания термокластеров обусловлен деформацией поверхностного слоя водно-спиртового раствора за счет изменения поверхностного натяжения, а также - конвективным вихревым процессом на передней границе температурного фронта.

5. Миллиметровые излучения нетепловых интенсивностей могут приводить к формированию термокластеров в водных растворах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Объекты и методы исследований

Регистрация параметров тонких (порядка 100-200 ц) пограничных слоев воды и водных растворов является одной из наиболее сложных методических задач. Применение каких-либо датчиков в столь тонких слоях весьма проблематично. Кроме того, в области контакта таких датчиков формируется новый пограничный слой воды, что может приводить к возникновению существенных артефактов измерений.

Метод ИК термографии является наиболее совершенным способом дистанционной регистрации пространственных распределений температур в реальном времени. Современные ИК системы позволяют вести регистрацию тепловых картин со скоростью до 400 кадров в секунду при чувствительности 0,01 °С и пространственном разрешении порядка 10 мкм. Учитывая, что такие ИК системы работают по принципу регистрации температурных распределений по собственному ИК излучению исследуемых объектов в диапазоне 3-5 или 8-12 микрон, они не вносят каких-либо артефактов измерений и идеально подходят для регистрации температурных распределений в тонких поверхностных слоях жидких сред.

Исследования диффузионных процессов в области контакта воды с гидрофильными поверхностями проводились с использованием коллоидных растворов карбоксилатных микросфер диаметром от 1 до 2 микрон. С помощью метода оптической микроскопии определялись различия в амплитуде и направлении теплового движения микросфер в области контакта с поверхностью полимера №йоп-117 по сравнению с движением микросфер в области отдаленной от поверхности полимера Ыайоп-117. Метод ИК

термографии применялся для регистрации особенностей ИК излучения в области контакта воды с гидрофильной поверхностью полимера Нафион-117.

В работе использовались охлаждаемые матричные инфракрасные камеры: типа JADE на основе матрицы КРТ-фотоприемников размером 320x240, и типа TITANIUM на основе матрицы фотоприемников из антимонида индия размером 320x256. Обе камеры на спектральный диапазон 3-5 мкм, фирмы CEDIP, Франция. Температурный эквивалент шума (NEdT) ИК камеры типа JADE не превышал 0,008°С при скорости регистрации до 400 кадров в секунду, и - 0,01 °С для ИК камеры типа TITANIUM при скорости регистрации до 200 кадров в секунду. Температурная чувствительность могла быть улучшена до 0,001°С при компьютерной обработке ИК изображений за счет процедур накопления и усреднения сигналов. Обе камеры были оснащены скоростными 14-разрядными компьютерными системами захвата и обработки изображений с программным обеспечением «ALTAIR».

Исследования процессов формирования термокластеров проводились с использованием растворов этанола и глицерина в воде. Учитывая, что процесс растворения этанола в воде сопровождается экзотермической реакцией, и малейшие нарушения равновесия приводят к формированию температурных градиентов, обусловленных конвективо-диффузионными потоками, термографический метод давал возможность регистрировать в реальном времени конвективные и диффузионные процессы, включая процессы, обусловленные концентрационно-капиллярной конвекцией. Движение идеальной жидкости в поле тяжести описывается уравнением:

(1)

Р

Где р(х, у, 2, I) — плотность жидкости, р(х, у, I) — давление в жидкости, —» —»

v(x,y,z,t)— вектор скорости жидкости, g(x,y,z,t)— вектор напряжённости

силового поля, V—оператор набладля трёхмерного пространства.

Для покоящейся жидкости, находящейся в однородном поле тяжести,

уравнение Эйлера (1) принимает вид: gradp=pg (2)

Это уравнение описывает механическое равновесие жидкости. В случае если жидкость находится в механическом равновесии в поле тяжести, то давление в ней может быть функцией только от высоты z, таким образом, из

уравнения (2) следует что плотность р~— (3)

g dz

Равновесие будет устойчивым лишь при выполнении условия отсутствия ds

конвекции — >0 т.е. энтропия должна возрастать с высотой.

dz

Отсюда можно найти условие отсутствия конвекции, которому должен удовлетворять градиент температуры:

(4)

dz ср

где „ = -'(f) - температурный коэффициент расширения жидкости.

5v 5t '

vV

Для воды при комнатной температуре (Т = 20 °С), значение правой части уравнения (4) составляет 1° на 6,7 км.

Температурный градиент, который формируется в поверхностном слое жидкости за счет испарения, намного превышает указанную величину, что должно приводить к развитию термоконвективных потоков, направленных из глубины жидкости на её поверхность.

Для исследования роли температурных градиентов в развитии конвективно-диффузионных процессов в пограничных слоях жидких сред был применен метод, позволяющий создавать необходимые температурные градиенты с помощью электромагнитных излучений (ЭМИ) миллиметрового диапазона длин волн. Нагрев биологических тканей за счет поглощения энергии излучений является одним из основных механизмов биологических эффектов ЭМИ. Резкие температурные градиенты в облучаемых объектах обусловлены быстрым затуханием энергии миллиметровых излучений в биологических тканях. Важно отметить, что вода является основной мишенью, определяющей поглощение ЭМИ.

Облучение сверху позволяло скомпенсировать температурные градиенты, обусловленные испарением, а облучение снизу - создавать необходимые температурные градиенты в заданной области, эквивалентные градиентам, которые формируются в поверхностном слое растворов за счет испарения.

Источником миллиметровых излучений служил генератор типа Г4-141 на диапазон частот 37-53 ГГц с выходной мощностью до 50 мВт. Облучение исследуемых растворов проводилось из раскрыва волновода. Вызванный облучением нагрев растворов регистрировался методом ИК термографии. Используемый в экспериментах термографический метод регистрации температуры по собственному ИК излучению объектов обеспечивал полное отсутствие каких-либо артефактов измерений, которые обычно возникают за счет присутствия измерительных датчиков в области облучения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

Исследование свойств воды в области контакта с гидрофильной поверхностью полимера №Гюп-117.

Согласно имеющимся в литературе данным, диффузионные свойства пограничных слоев воды в области контакта с гидрофильной поверхностью и вблизи открытой поверхности воды отличаются от диффузионных свойств воды вдали от области контакта.

На рис.1 приведены микрофотографии, демонстрирующие эффект вытеснения микросфер из области контакта воды с мышцей кролика и с гидрофильной поверхностью полимера Ыайоп-117. Размер области вытеснения микрочастиц может достигать 200 мкм через 3 минуты после контакта полимера ЫаГюп-117 с коллоидным раствором микрочастиц.

Рис I. Слева - вытеснение микросфер из области контакта с мышцей кролика. Мышца кролика помещена в стандартный буферный раствор. Концентрация микросфер диаметром 1 цт (покрытых карбоксилатом, фирмы Polysciences Inc., Warrington, РА) составляла 0,1%. Протяженность зоны вытеснения составляет 350 +/- 50 цт. Справа - динамика вытеснения микросфер диаметром 2 мкм из области контакта с заостренной пленкой полимера Нафион-117 (Nafion-117, фирмы Aldrich, Milwaukee, WI). Темная область соответствует зоне свободной от микросфер. Время с момента контакта полимера с раствором указано в правом верхнем углу в секундах. Показаны первые минуты развития процесса

Учитывая, что эффект вытеснения микросфер из области контакта с гидрофильными поверхностями может быть обусловлен электростатическим механизмом (о чем свидетельствуют потенциальные профили вблизи поверхности полимера Nafion-117), остается открытым вопрос о механизме вытеснения микрочастиц из области контакта. Фактически, необходимо было ответить на вопрос: является ли зона вытеснения областью с измененными свойствами воды, или же - вытеснение микросфер напрямую не связано с какими-то особенными свойствами воды и определяется электростатическими силами отталкивания от заряженной поверхности полимера Nafion-117.

Для ответа на данный вопрос были проведены эксперименты по измерению интенсивности ИК излучения в области контакта воды с полимером Nafion-117 с использованием метода ИК термографии. На рис.2 приведена термограмма и профили эквивалентных температур по линиям «1»

Темные области на термограмме обусловлены меньшими значениями ИК излучения воды вблизи полимера №йоп-117, по сравнению с ИК излучением воды вдали от границы полимера Ыа1топ-117. Данный результат дает основания полагать о некотором изменении свойств воды в области контакта с гидрофильной поверхностью полимера №йоп-117.

Динамика формирования термокластеров в водно-спиртовых растворах.

Термокластеры, формирующиеся в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов, существенно отличаются от ячеек Бенара и термоструктур в поверхностных слоях воды.

В первые 1-2 минуты после приготовления раствора температурные неоднородности наблюдаются на всей поверхности раствора (рис.3, А). Неравномерность температуры по поверхности раствора может достигать 0,8-1,0 °С, и этот этап может быть охарактеризован как переходной процесс, обусловленный выравниванием концентрации этанола во всем объеме раствора.

А Б В

Рис. 3. Эволюция термоструктур в 10% растворе этилового спирта в воде: А - через 5 секунд, Б - через 120 секунд и В - через 5 минут после приготовления раствора. Диаметр сосуда — 10 см. Толщина слоя - 5 мм.

На втором этапе наблюдается формирование ограниченных областей с повышенными значениями температурных градиентов (термокластеров), наряду с областями, температурные распределения в которых характерны для дистиллированной воды (рис.3, Б). Со временем размеры термокластеров постепенно уменьшаются. Через 5-10 минут после приготовления раствора наблюдаются отдельные, спонтанно-возникающие термокластеры размером от нескольких миллиметров до 1-2 см (рис.3, В). Такие термокластеры могут перемещаться по поверхности раствора с сохранением их внутренней термоструктуры. Характерные времена жизни отдельных термокластеров существенно меньше по сравнению с термоструктурами, которые формируются в дистиллированной воде. Спонтанно-возникающие термокластеры могут наблюдаться на протяжении десятков часов при открытой поверхности раствора.

При столкновении термокластеров не наблюдается ни их взаимное уничтожение (характерное для автоволновых диссипативных структур), ни их взаимное слияние (характерное для диффузионных процессов). На рис. 4 и 5 приведены термограммы и температурные параметры термокластеров, формирующихся в 10% водно-спиртовой растворе. Вне области термокластеров могут формируются термоструктуры, характерные для дистиллированной воды (температурный профиль по линии «1», рис.5).

Рис.4. Случай множественных термокластеров. Термограмма и температурный профиль по линии «1». АТ = 0,2 °С. Диаметр сосуда - 10 см.

Рис.5. Случай одиночных термокластеров. На температурных профилях по линиям «1» и «2»: Т1сР. = 26,38 °С, ДТ1 = 0,2 °С, Тгср. = 26,57 °С, АТг = 0,1 °С. Диаметр сосуда - 10 см.

Рис. 6. Пример термокластеров, формирующихся на поверхности 10% водно-спиртового раствора с 2% примесью NaCl. Справа - температурный профиль по линии «1». ДТмах = 0,84 °С Диаметр сосуда равен 10 см.

Процесс формирования термоструктур в 3-х компонентных водно-спиртовых растворах, в состав которых кроме этанола входил глицерин, существенно отличался от эволюции термоструктур в 2-х компонентных растворах. В первые минуты после приготовления раствора формируется множество термокластеров (рис. 7, А), которые, в отличие от 2-х компонентных растворов, сливаются в макроскопические образования.

При добавлении 1-2% ЫаС1 в водно-спиртовой раствор наблюдается существенное увеличение разницы температур между термокластерами и окружающим раствором наряду с изменением размеров и внутренней термоструктуры термокластеров (рис.6). При этом, среднее время жизни отдельных, периодически возникающих термокластеров уменьшается до 510 секунд, а скорость перемещения варьирует от 0,5 до 1 см/сек.

г

Рис. 7. Эволюция кластеров на поверхности раствора вода-спирт-глицерин.

Через 4-5 минут после приготовления раствора формируются холодные области с температурными распределениями, характерными для дистиллированной воды, окруженные областями, температурные распределения в которых характерны для 2-х компонентного раствора этанола в воде в первую минуту после приготовления раствора (рис.7, Б). Через 10-20 минут формируется четкая граница между указанными областями (рис.7, Б). Со временем, через 30-40 минут, наблюдается самопроизвольное расслоение раствора вода-спирт-глицерин на три области, одна из которых характерна для дистиллированной воды, вторая - для 10 % раствора этанола в воде без глицерина, а третья - для 3-х компонентного раствора вода-спирт-глицерин (рис.8). В области, соответствующей 10 % водно-спиртовому раствору, начинают формироваться типичные для такого раствора термокластеры, которые не могут выйти за границу этой области раствора.

Рис. 8. Самопроизвольное расслоение раствора вода-спирт-глицерин на их компоненты. Области и температурные профили соответствуют: «1» — раствору вода-спирт-глицерин, «2» - дистиллированная вода, «3» - 10 % водно-спиртовому раствору.

Необходимо отметить четкое соответствие типа, характерных размеров и температурных градиентов термоструктур в расслоившихся областях растворов, соответственно одно, двух и трех-компонентным растворам. Структуры такого типа сохраняется на протяжении нескольких часов.

Для выяснения механизма формирования термокластеров на поверхности водно-спиртовых растворов были проведены эксперименты с блокированием испарения с поверхности растворов, что приводило к исчезновению термокластеров. При возобновлении процесса испарения термокластеры возникали вновь. Начальная фаза развития термокластеров после возобновления процесса испарения продемонстрирована на рис. 9 и 10.

0.14 сек (191) 0.26 сек (194) 0.46сек(199) 1.10 сек(215)

с ,. I-

Рис. 9. Динамика формирования термокластеров в 10% водно-спиртовом растворе после возобновления процесса испарения. Под термограммами указано время (номера кадров) после возобновления процесса испарения. Температурные профили соответствуют кадрам с 191 по 194.

Рис. 10. Изменение температуры после возобновления процесса испарения: верхняя кривая - в области термокластера; нижняя кривая - вне области термокластера. Скорость регистрации 50 кадров в секунду (на оси абсцисс указаны номера кадров).

I

В отличие от дистиллированной воды, термокластеры в водно-спиртовом растворе формируются через сотые доли секунды после возникновения первичных температурных возмущений в очень малых (менее 1 мм) областях _ поверхности раствора и распространяются по поверхности раствора со | скоростью в десятки сантиметров в секунду. Такая скорость распространения температурных возмущений слишком велика для диффузионных процессов. Характерно, что в процессе увеличении размеров термокластеров сохраняется их внутренняя термоструктура, а в области столкновения термокластеров формируется холодная зона, в которой температура на 0,20,3 °С ниже температуры на фронтальной границе термокластера.

При возобновлении испарения с поверхности раствора жидкость может приходить в движение под действием как объемных (массовых), так и поверхностных сил. Через 0,1-0,2 секунды после возобновления испарения формируется вертикальный температурный градиент, достаточный для развития термо-гравитационной конвекции. В результате, в области выхода более теплой жидкости на поверхность возникает горизонтальный температурный градиент, что ведет к локальному уменьшению поверхностного натяжения и, как следствие, - к развитию термокапиллярной конвекции Марангони. Кроме того, учитывая большую скорость испарения этанола по сравнению с водой, возникнет градиент концентрации этанола, приводящий к развитию концентрационно-капиллярной конвекции

Г

Марангони. Интенсивности термокапиллярной и термогравитационной конвекции определяются соответственно безразмерными числами Марангони и Рэлея, которые характеризуют отношения термокапиллярных или термогравитационных сил к силам вязкого трения:

Мат=—д'тУТ Ка=Р9М1ут- (5)

ПХ ЧХ

Для преобладания термо-капиллярного механизма над гравитационным

„ . Яа рдРт-Л4

величина: Вс1 =-= — (6)

Ма7 от

называемая динамическим числом Бонда, должна быть меньше единицы. Это условие ограничивает толщину жидких слоев и пленок, используемых для изучения термокапиллярных явлений в условиях нормальной силы тяжести.

Так, например, для слоя этилового спирта критическая толщина /?' = (б'т/рдР7.)1/2 составляет около 3 мм.

В приведенных выражениях: Ь-высота, р - плотность, Г-температура, с'т = дс/дТ - температурный коэффициент поверхностного натяжения, Т1 - динамическая вязкость жидкости, х - температуропроводность, Рт- тепловой коэффициент объемного расширения, g- ускорение силы тяжести.

В концентрационно-капиллярных задачах интенсивность конвекции определяется диффузионным числом Марангони:

Мас=——УС (7)

0 фдС

(О - коэффициент диффузии ПАВ, С - концентрация).

Учитывая, что коэффициенты диффузии в жидкостях, как правило, на 2-3 порядка меньше коэффициентов теплопроводности, а значения концентрационного коэффициента поверхностного натяжения о'с = сст/оС в водно-спиртовых растворах могут существенно превышать значения о'г, диффузионные числа Марангони и Прандтля Ргс=г\/рО оказываются значительно большими по сравнению с тепловыми. Соответственно, и проявление концентрационно-капиллярных эффектов можно ожидать в объемах жидкости с достаточно большим вертикальным размером.

В случае раствора спирта в воде, так как поверхностное натяжение спирта меньше, чем у воды, спирт будет концентрироваться на поверхности, понижая поверхностное натяжение раствора. В таком случае спирт может рассматриваться в качестве поверхностно-активного вещества (ПАВ).

Учитывая гораздо более резкую зависимость поверхностного натяжения водно-спиртового раствора от концентрации спирта по сравнению с температурной зависимостью поверхностного натяжения, можно с достаточно высокой уверенностью предположить, что основную роль в механизме быстрого распространения теплового фронта играет концентрационно-капиллярная конвекция Марангони, а сам эффект нагрева обусловлен экзотермическим процессом диффузии этанола в воду.

Для проверки этой гипотезы были проведены эксперименты, в которых в поверхностный слой дистиллированной воды из открытого конца дозирующей микропипетки вводилась микро-капля этилового спирта при синхронной регистрации термограмм со скоростью 200 кадров в секунду. Начальная фаза распространения теплового фронта после введения спирта в поверхностный слой дистиллированной воды приведена на рис. 11.

Рис. 11. Начальная фаза распространения теплового фронта после введения спирта в поверхностный слой дистиллированной воды. Интервал между кадрами 0,02 секунды. Размер сосуда 6x8 см.

Наряду с процессом распространения теплового фронта, контакт спирта с водой приводил к развитию гидродинамического возмущения. Синхронная регистрация ИК и видео изображений показала четкое соответствие между концентрационным фронтом и тепловым фронтом (рис.12).

Рис. 12. Синхронная регистрация ИК (верхний ряд) и видео изображений (нижние 3 кадра) при контакте спирта с водой. Временной интервал между кадрами 0,04 секунды. Размер сосуда 8x12 см. Глубина жидкости 2,5 мм.

Характерно, что впереди теплового фронта распространяется область, в которой температура на 0,1-0,15 °С ниже температуры воды в сосуде. Кроме того, наряду с тепловым фронтом формируется гиродинамическая волна, которая, отражаясь от противоположной стенки сосуда, может оказывать влияние на процесс распространения теплового фронта.

Для исключения артефактов, обусловленных гидродинамическим возмущением при контакте жидкого этанола с поверхностью воды, и выяснения механизма распространения теплового фронта в поверхностном слое, был применен метод возбуждения теплового фронта без прямого контакта жидкого этанола с водой (рис.13). Тепловой фронт формировался за счет контакта паров этанола с поверхностью воды, что осуществлялось за счет испарения спирта с поверхности пластин, которые находились на расстоянии 3-5 мм над поверхностью раствора.

Рис. 13. Термограммы и температурные профили по линии 1, процесса распространения встречных тепловых фронтов в поверхностном слое воды.

Однако и в этом случае, при сближении тепловых фронтов вместо теоретически ожидаемого слияния диффузионных фронтов (что должно было бы наблюдаться в случае чисто диффузионного процесса), в эксперименте наблюдался процесс взаимного торможения и взаимного отталкивания температурных фронтов (последний кадр на рис.13).

Аналогичный эксперимент, в котором дистиллированная вода была заменена на 1,5% агаровый гель, показал четкое соответствие распространения теплового фронта диффузионному механизму (рис. 14).

К

120 123 130 133

Рис. 14. Распространения встречных тепловых фронтов на поверхности геля.

В поверхностном слое геля возможность концентрационно-капиллярной конвекции была практически исключена, и тепловой фронт мог быть обусловлен только диффузионным процессом за счет экзотермической реакциии при диффузии паров этанола в поверхностный слой воды.

В случае не одновременного запуска температурных фронтов, при относительно большой кривизне хотя бы одного из фронтов, наблюдался гораздо более сложный процесс их взаимодействия в виде эффекта взаимного отталкивания (рис.35), что однозначно демонстрирует отсутствие контакта двух распространяющихся навстречу друг другу областей с повышенной концентрацией спирта.

Рис. 15. Термограммы процесса распространения двух встречных температурных фронтов в поверхностном слое жидкости, запущенных с временным сдвигом (фронт от нижнего источника запущен раньше). Временной интервал между кадрами 1 секунда.

Механизм взаимного отталкивания встречных температурных фронтов обусловлен двумя процессами: изменением поверхностного натяжения и соответствующей деформацией поверхностного слоя воды в области температурного фронта, и формированием двух конвективных вихрей цилиндрического типа с противоположными направлениями вращения, создающими встречные потоки в области столкновения фронтов.

На рис. 16 приведен пример, демонстрирующий возможность деформации поверхностного слоя воды в области контакта с парами этанола.

Рис. 16. Деформация поверхностного слоя воды в области контакта с парами этанола (справа). Слева - та же поверхность, до контакта с парами этанола.

Использование водно-спиртовых растворов в качестве моделей с высоким температурным контрастом в области распространения диффузионного фронта открывает принципиально новые возможности изучения процессов возникновения пространственно упорядоченных структур.

Для определения пороговых значений температурных градиентов, при которых могут развиваться биологически значимые конвективно-диффузионные процессы в пограничных слоях жидких сред, был применен метод, позволяющий создавать температурные градиенты с заранее заданными параметрами. Такие температурные градиенты создавались в

результате действия на исследуемые образцы электромагнитного излучения частотой 35-78 ГГц. При этом поглощение энергии ЭМИ по глубине аТ/<£ определялось частотой ЭМИ, а скорость роста температуры с1Т/Ж и конечная величина температурного градиента ЛТ определялась мощностью излучения.

Параллельно, примененная методика позволяла оценить роль конвективно-диффузионных процессов в пограничных слоях жидких сред в механизмах биологических эффектов миллиметровых излучений нетепловых уровней. При уровнях облучения до 10"6 Вт/см2 было зарегистрировано четкое соответствие конвективных потоков положению максимума скорости нагрева раствора при действии миллиметровых излучений.

При облучении водно-спиртового раствора развивается конвективный процесс, резко изменяющий температурный профиль в области облучения по сравнению с водой (рис.17).

Рис. 17. Термограммы и температурные профили для воды (слева) и водно-спиртового раствора (справа) при КВЧ-облучении.

Область формирования термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов, становится детерминированной. При наличии горизонтальной компоненты конвективного процесса возникают температурные колебания в области максимума облучения (рис. 18).

Миллиметровое излучение, при таких условиях, является триггерным фактором, который трансформирует стохастический процесс формирования восходящих конвективных потоков в детерминированный. В результате -область формирования термокластеров становится детерминированной и определяется положением максимума поглощения энергии излучения.

При уровнях облучения менее 10'6 Вт/см2 уже не наблюдалось четкого соответствия восходящих конвективных потоков положению максимума поглощения излучения. Однако повышенные значения термо-флуктуаций, свидетельствующие о модификации конвективно-диффузионных процессов в области облучения, сохранялись.

Рис.18. Температурные колебания в водно-спиртовом растворе.

По оси абсцисс - номера кадров (скорость 25 кадров в секунду).

Механизм таких эффектов - тепловой, и он обусловлен температурными градиентами, возникающими в пограничных слоях водно-спиртовых растворов за счет поглощения энергии миллиметровых излучений. Пороговые значения мощности излучения, необходимые для развития таких эффектов, определяются пороговым значением температурного градиента возникновения свободной конвекции из условия.

Зная пространственную картину поглощения энергии ЭМИ в исследуемом объекте, можно оценить пороговое значение плотности потока мощности ЭМИ, необходимое для преодоления порога свободной конвекции. Облучение из раскрыва волновода обеспечивает хорошую стабильность пространственного распределения плотности потока мощности. Учитывая, что большая часть мощности миллиметрового излучения поглощается в воде в слое толщиной 200 - 300 микрон, и область облучения не превышает 1 см2, пороговый температурный градиент возникновения свободной конвекции в водных растворах будет заведомо превышен при плотности потока мощности 10~9 Вт/см2 через секунды после начала облучения.

Необходимые для преодоления этого порога температурные градиенты могут формироваться в пограничных слоях водосодержащих жидких сред при уровнях облучения, которые считаются нетепловыми.

В процессе определения порогового значения уровня облучения был обнаружен совершенно неожиданный результат: эффект модификации конвективных процессов исчезал только экранировании раскрыва волновода с использованием металлической фольги.

Как выяснилось, механизм такого эффекта обусловлен температурным градиентом, который возникает в пограничном слое раствора за счет поглощения энергии инфракрасного излучения, исходящего из волновода. Дело в том, что прирост температуры на 1 °С дает прирост излучения в диапазоне 5-15 мкм порядка 0,5 мВт/см2, при этом параметры затухания энергии миллиметровых и инфракрасных излучений в водосодержащих растворах очень близки. При таких условиях нагрев облучаемых объектов будет обусловлен ИК излучением, которое направляется по волноводу. Этот результат является прямым экспериментальным доказательством возможности объяснения целого ряда «нетепловых» эффектов миллиметровых излучений с позиций классических тепловых механизмов.

Выводы.

1. Доказана возможность термографической визуализации процесса распространения теплового фронта, обусловленного концентрационно-капиллярной конвекцией в поверхностных слоях водных растворов. Обнаружено формирование теплового фронта и при контакте паров этанола с поверхностью воды, а также - вихрей диаметром 50-100 микрон.

2. Обнаружено, что в области контакта воды с гидрофильной поверхностью полимера Нафион-117 формируется пограничный слой толщиной 100-200 микрон с пониженной интенсивностью ИК излучения в диапазоне 3-5 микрон. Пространственно-временные параметры формирования этого слоя и зоны вытеснения микрочастиц из области контакта совпадают.

3. Показано, что быстрая фаза формирования термокластеров в водно-спиртовых растворах обусловлена концентрационно-капиллярной конвекцией Марангони и экзотермическим процессом диффузии этанола в поверхностный слой воды. Первичная пространственная структура термокластеров формируется за сотые доли секунды, при этом скорость распространения температурного фронта может достигать 1 метра в секунду. Пространственная структура термокластеров сохраняется в процессе увеличения их размеров на временах порядка нескольких секунд.

4. Обнаружен эффект взаимного отталкивания встречных температурных фронтов термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов. Механизм эффекта обусловлен деформацией поверхностного слоя водно-спиртового раствора за счет изменения поверхностного натяжения и конвективным вихревым процессом на передней границе температурного фронта.

5. Обнаружен эффект самопроизвольного расслоения поверхностного слоя многокомпонентных водно-спиртовых растворов на их компоненты.

6. Экспериментально доказана возможность развития микро-конвективных процессов, приводящих к формированию термокластеров в водных растворах при действии миллиметровых излучений нетепловых интенсивностей.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Статьи:

1. Zheng J-M., Chin W-C, Khijniak E.P., Khijniak EE. Jr. and Pollack G. H. Surfaces and interfacial water: evidence that hydrophilic surfaces have longrange impact. // Advances in Colloid and Interface Science, 2006, v. 127, №1, pp. 19-27.

2. Бецкий O.B., Козьмин A.C.. Хижняк Е.Е., Хижняк Е.П., Цыганов М.А., Яременко Ю.Г. Роль температурных градиентов и конвективно-диффузионных процессов в механизмах биологических эффектов миллиметровых волн. // Биомедицинская радиоэлектроника, 2009, № 12, стр. 24-33.

3. Бецкий О.В., Хижняк ЕЕ.. Хижняк ЕП. Новые подходы к механизмам биологических эффектов КВЧ-излучений: Роль температурных градиентов в пограничных слоях жидких сред. // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2009, Москва, № 4(56), стр. 3-13.

4. Хижняк Е.Е., Козьмин A.C. Влияние процесса испарения на динамику нагрева пограничных слоев биологически значимых жидких сред при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона длин волн. // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2009, Москва, № 4(56), стр. 14-19.

5. Хижняк Е.Е.. Хижняк Е.П., Бецкий О.В., Козьмин A.C. Роль микроконвекции в тонких пограничных слоях жидких сред в механизмах биологических эффектов миллиметровых излучений нетепловых интенсивностей. // Биомедицинская радиоэлектроника, 2010, № 5, с.26-29.

Тезисы докладов и сборники:

6. Jian-ming Zheng, Eugene Khijniak, Wei-Chun Chin, Hyok Yoo, and Gerald H. Pollack. Long-Range Water Structuring at Interfaces. // I International Conference on "The Physics, Chemistry and Biology of Water", October 26-29, 2006, West Dover, Vermont (Mt. Snow Resort), USA.

7. Khizhnyak E.E., Khthnyak E.P. Investigation of heat production in muscle areas using technique of real-time infrared thermography // Abstr. Intern. Symp. "Biological motility: basic research and practice", Pushchino, Russia, 2006, p. 152.

8. Подлубная 3.A., Марсагишвили Л.Г., Шпагина М.Д., Вихляпцсв И.М., Малышев C.JI., Осипова-Бледжянц Д.А., Макаренко И.В., Хижняк Е.Е., Федюшин А.А., Гордиенко Т.В., Ильинский И.М. Выяснение роли саркомерных цитоскелетных белков в в патогенезе амилоидозов с целью разработки метода их ранней диагностики // Сб.: «Фундаментальные науки - медицине», (под ред. О.Г. Газенко, М.В. Угрюмова, А.А. Макоско, В.В. Круговых), Москва, «Слово», 2006, с. 21-22.

9. Khizhnyak E.P. and Khthnvak EE. Self-structurization processes in superficial layers of water studied using method of high resolution infrared thermography. // Second Annual International Conference on "The Physics, Chemistry and Biology of Water", October 18-21, 2007, West Dover, Vermont (Mt. Snow Resort), USA.

\0Jlan-ming Zheng, Binghua Chai, Hyok Yoo, EuseneE. Khijniak, Qing Zhao, Adam Wexler, Rainer Stahlberg, Kate Ovchinnikova, Ivan Klyuzhin, Laura Marshall and Gerald H.Pollack Water Structuring at Interfaces may be More Extensive than Generally Thought. // Second Annual International Conference on "The Physics, Chemistry and Biology of Water", October 18-21,2007, West Dover, Vermont (Mt. Snow Resort), USA.

11 .Khizhnyak E.P. and Khizhnyak EE. Unusual diffusion processes associated with interfacial layers of water. // III International Conference on "The Physics, Chemistry and Biology of Water", October 16-20, 2008, West Dover, Vermont (Mt. Snow Resort), USA.

Подписано в печать:

22.04.2010

Заказ № 3621 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499)788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Хижняк, Евгений Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Конвективно-диффузионные процессы.

1.2 Физические условия возникновения конвекции.

1.3 Теория теплового излучения.

1.4 Термо-гравитационная и термо-капиллярная конвекция Марангони.

1.5 Деформация слоя жидкости термо-капиллярным и концентрационно-капиллярным течением.

1.6 Ячеистые макроструктуры, возникающие при конвекции воды.

1.7 Особенности биологических эффектов электромагнитных излучений миллиметрового диапазона длин волн.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Регистрация инфракрасного излучения в поверхностных слоях тонких растворов.

2.2 Методы создания температурных градиентов с использованием электромагнитных излучений мм-диапазона длин волн.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1 Исследование свойств воды в области контакта с гидрофильной поверхностью полимера Nafion-117.-.

3.2 Особенности формирования термокластеров в зависимости от состава растворов и времени после их приготовления.

3.3 Динамика распространения конвективно-диффузионного фронта.

3.4 Роль конвективных процессов в механизмах биологических эффектов миллиметровых излучений нетепловых интенсивностей.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Исследование динамики формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов"

Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов формирования макроскопических, пространственно-упорядоченных температурных неоднородностей (термокластеров), спонтанно возникающих в пограничных слоях водных растворов. Основная проблема, определяющая важность данных исследований, состоит в том, что при проведении многих биофизических экспериментов и интерпретации их результатов, вода и водные растворы считаются макроскопически однородными, гомогенными системами. В последние годы была продемонстрирована возможность формирования макроскопических термоструктур в поверхностных слоях воды, что в корне меняет представления о пространственной независимости физико-химических процессов в жидких средах [34].

Достаточно подробно исследованы диссипативные структуры в жидких средах, обусловленные искусственно созданным вертикальным градиентом температуры (ячейки Бенара) [78], а так же - термоструктуры, которые формируются в поверхностных слоях воды за счет температурных градиентов при испарении жидкости с поверхности [34].

Однако процессы формирования термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов на сегодняшний день практически не изучены и механизм их формирования не ясен.

Сложность данной проблемы связана с тем, что при наличии температурных градиентов, обусловленных испарением, в водно-спиртовых растворах одновременно возникают концентрационные градиенты. Этанол по отношению к воде является поверхностно-активным веществом (ПАВ), поэтому при его контакте с водой могут возникать локальные изменения поверхностного натяжения, при этом адсорбированному на поверхности воды ПАВ достаточно создать тонкую пленку толщиной всего в одну молекулу (так называемый гиббсовский монослой). Процесс распространения этанола по поверхности воды приводит к возникновению дополнительных горизонтальных температурных градиентов, обусловленных экзотермическим процессом при растворении этанола в воде. При таких условиях конвективные и диффузионные процессы неразрывно связаны друг с другом, поэтому они рассматриваются как конвективно-диффузионные.

Конвективные и диффузионные процессы играют важную роль в функционировании живых систем и могут оказывать существенное влияние на результаты биофизических экспериментов, которые проводятся в водных растворах в условиях in-vitro при возможности испарения с поверхностного слоя (в чашках Петри или на предметном стекле под микроскопом).

Механизмы формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов важны для понимания процессов зарождения предшественников живых клеток на границе океан-атмосфера. Современная гипотеза Твердислова В.А. и Яковенко JI.B. основана на том, что при испарении воды в поверхностном слое возникает температурный градиент - «холодная пленка», в которой формируются диссипативные структуры, обусловленные взаимодействием конвективных и термодиффузионных потоков, приводящих к фракционированию ионов [55, 56].

Самопроизвольное перемещение термокластеров в какой-то степени эквивалентно процессу перемешивания в очень тонком поверхностном слое, что имеет важное значение для биотехнологии.

Параметры конвективно-диффузионных процессов в поверхностных слоях многокомпонентных водных растворов важны для разработки новых методов очистки водных поверхностей от органических загрязняющих веществ, что имеет важное экологическое значение.

Конвективно-диффузионные процессы играют важную роль в механизмах биологических эффектов электромагнитных излучений, в особенности -миллиметрового диапазона длин волн, поскольку излучения этого диапазона достаточно быстро поглощаются в биологических тканях, что приводит к возникновению резких температурных градиентов [12, 20, 22-24]. Важно отметить, что вода является основной мишенью, определяющей поглощение энергии излучений, причем, согласно многочисленным литературным данным, поглощение «связанной» воды, то есть воды в области контакта с гидрофильными или гидрофобными поверхностями, существенно отличается от поглощения «свободной» воды [7-11, 49, 81, 85-87, 95-96].

Свойства воды в области контакта с различными компонентами биологических тканей (так называемого «пограничного слоя воды») гораздо менее изучены по сравнению со свойствами объемной воды. Согласно классическим представлениям, влияние поверхности распространяется на несколько молекулярных слоев воды в области контакта. В коллоидных системах эффекты отталкивания, обусловленные размерами частиц раствора, могут простираться и на несколько диаметров частиц.

В последние годы в литературе появились сообщения об эффектах дальнего действия [112]. В качестве экспериментального доказательства Дж. Поллак приводит эффект вытеснения микросфер из области контакта воды с гидрофильными поверхностями. Аналогичный эффект наблюдается вблизи открытых поверхностей воды и водных растворов. Характерный размер пограничного слоя, свободного от растворенных микросфер, может достигать десятых долей миллиметра. Такие зоны получили название «зон исключения» (от английского термина "exclusion zone"). В рамках современной теории такие эффекты являются аномальными, и механизм формирования таких зон до настоящего времени остается дискуссионным.

Данный эффект может быть обусловлен как процессом отталкивания микросфер за счет заряда на контактных поверхностях, так и возможно специфическими свойствами воды в зоне исключения. В последнем случае такие эффекты могут оказывать влияние на процессы вблизи биологических мембран и на процессы формирования термокластеров в пограничных слоях водных растворов. Экспериментальная проверка гипотезы об «особых» свойствах воды в зоне исключения микрочастиц возможна с применением методов, не требующих присутствия микрочастиц в зоне контакта воды с гидрофильной поверхностью, что является одной из задач данной работы.

Среди перечисленных процессов, влияющих на формирование термокластеров, наибольшая сложность связана с экспериментальным изучением в наземных условиях капиллярной конвекции Марангони, причем вода считается самой непригодной для таких исследований жидкостью.

Последние работы в этой области, проведенные А.Л.Зуевым с использованием интерференционного метода, относятся к исследованиям термокапиллярных и концентрационно-капиллярных конвективных течений Марангони, возникающих в жидких средах вблизи поверхности раздела фаз [26, 27]. Примененный метод, позволяющий регистрировать разность концентраций в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов за счет разности коэффициента преломления, весьма трудоемок, имеет ряд существенных ограничений по скорости и не позволяет регистрировать распространение теплового фронта.

Процесс нагрева существенно осложняет исследования концентрационно-капиллярной конвекции Марангони в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов при использовании стандартных методов регистрации. Метод инфракрасной термографии открывает возможность визуализации теплового фронта, который формируется за счет экзотермической реакции при контакте этанола с водой в процессе концентрационно-капиллярных конвективных течений по поверхности воды, включая возможность количественных температурных измерений при высокой скорости регистрации.

Цель работы: Экспериментальное исследование конвективно-диффузионных процессов, связанных с формированием термокластеров в пограничных слоях воды и водных растворов, с использованием метода прецизионной инфракрасной (ИК) термографии.

Задачи исследования:

1. Разработка метода термографической визуализации концентрационно-капиллярных конвективных течений на поверхности жидких сред;

2. Исследование особенностей ИК излучения с открытых поверхностей водно-спиртовых растворов и пограничного слоя воды в области контакта с гидрофильной поверхностью полимера Нафион-117;

3. Йсследование динамики формирования макроскопических температурных неоднородностей в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов;

4. Исследование роли капиллярной конвекции и экзотермических диффузионных процессов в механизмах формирования термокластеров;

5. Исследование роли микро-конвективных процессов в механизмах биологических эффектов электромагнитных излучений нетепловых интенсивностей.

Научная новизна.

Доказана возможность использования метода ИК термографии для визуализации распространения теплового фронта, обусловленного концентрационно-капиллярными конвективными течениями Марангони и экзотермической реакцией, развивающейся при диффузии этанола в поверхностный слой воды. Метод открывает новые возможности исследования концентрационно-капиллярной конвекции Марангони в земных условиях.

Выявлены существенные различия процессов формирования и эволюции термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов по сравнению с термоструктурами на открытых поверхностях воды.

Обнаружена возможность развития теплового фронта и возникновения микро-вихрей при контакте паров этанола с поверхностью воды.

Обнаружен эффект торможения и взаимного отталкивания встречных температурных фронтов в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов. 7

Практическая значимость работы.

Полученные результаты имеют важное научно-методическое значение для планирования и интерпретации результатов биофизических экспериментов, которые проводятся в водных растворах с открытыми поверхностями. Термокластеры трансформируют поверхностный слой водных растворов в неоднородную систему, в то время как сами растворы рассматриваются как однородные жидкости. При проведении биологических исследований необходимо учитывать, что в области термокластеров формируются значительные градиенты температур, неоднородности поверхностного натяжения, направления и скоростей конвективных потоков. Перемещение термокластеров эквивалентно процессу конвективного перемешивания в очень тонком поверхностном слое, что может найти применение в биотехнологии. Полученные результаты могут найти применение при разработке искусственных кровезаменителей и новых методов очистки водных поверхностей от органических загрязнителей.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Хижняк, Евгений Евгеньевич

Выводы

1. Доказана возможность термографической визуализации процесса распространения теплового фронта, обусловленного концентрационно-капиллярной конвекцией в поверхностных слоях водных растворов. Обнаружено формирование теплового фронта и при контакте паров этанола с поверхностью воды, а также - вихрей диаметром 50-100 микрон.

2. Обнаружено, что в области контакта воды с гидрофильной поверхностью полимера Нафион-117 формируется пограничный слой толщиной 100-200 микрон с пониженной интенсивностью ИК излучения в диапазоне 3-5 микрон. Пространственно-временные параметры формирования этого слоя и зоны вытеснения микрочастиц из области контакта совпадают.

3. Показано, что быстрая фаза формирования термокластеров в водно-спиртовых растворах обусловлена концентрационно-капиллярной конвекцией Марангони и экзотермическим процессом диффузии этанола в поверхностный слой воды. Первичная пространственная структура термокластеров формируется за сотые доли секунды, при этом скорость распространения температурного фронта может достигать 1 метра в секунду. Пространственная структура термокластеров сохраняется в процессе увеличения их размеров на временах порядка нескольких секунд.

4. Обнаружен эффект взаимного отталкивания встречных температурных фронтов термокластеров в поверхностных слоях водно-спиртовых растворов. Механизм эффекта обусловлен деформацией поверхностного слоя водно-спиртового раствора за счет изменения поверхностного натяжения и конвективным вихревым процессом на передней границе температурного фронта.

5. Обнаружен эффект самопроизвольного расслоения поверхностного слоя многокомпонентных водно-спиртовых растворов на их компоненты.

6. Экспериментально доказана возможность развития микроконвективных процессов в водных растворах при действии миллиметровых излучений нетепловых интенсивностей.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи:

1. Zheng J-M., Chin W-C., Khijniak E.P., Khijniak E.E. Jr. and Pollack G. H. Surfaces and interfacial water: evidence that hydrophilic surfaces have long-range impact. // Advances in Colloid and Interface Science, 2006, v. 127, №1, pp. 19-27.

2. Бецкий О.В., Козьмин А.С., Хижняк Е.Е, Хижняк Е.П., Цыганов М.А., Яременко Ю.Г. Роль температурных градиентов и конвективно-диффузионных процессов в механизмах биологических эффектов миллиметровых волн. // Биомедицинская радиоэлектроника, 2009, № 12, стр.24-33.

3. Бецкий О.В., Хижняк Е.Е, Хижняк Е.П. Новые подходы к механизмам биологических эффектов КВЧ-излучений: Роль температурных градиентов в пограничных слоях жидких сред. // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2009, № 12, Москва.

4. Хижняк Е.Е., Козьмин А. С. Влияние процесса испарения на динамику нагрева пограничных слоев биологически значимых жидких сред при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона длин волн. // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2009, № 12, Москва.

5. Хижняк Е.Е, Хижняк Е.П., Бецкий О.В. Роль микро-конвективных потоков в тонких пограничных слоях жидких сред в механизмах биологических эффектов миллиметровых излучений нетепловых интенсивностей. // Биомедицинская радиоэлектроника, 2010, № 1.

Тезисы докладов и сборники:

6. Jian-ming Zheng, Eugene Khijniak, Wei-Chun Chin, Hyok Yoo, and Gerald H. Pollack. Long-Range Water Structuring at Interfaces. // I International

Conference on "The Physics, Chemistry and Biology of Water", October 26-29, 2006, West Dover, Vermont (Mt. Snow Resort), USA.

7. Khizhnyak E.E., Khizhnyak E.P. Investigation of heat production in muscle areas using technique of real-time infrared thermography // Abstr. Intern. Symp. "Biological motility: basic research and practice", Pushchino, Russia, 2006, p. 152.

8. Подлубная 3.A., Марсагишвжи Л.Г., Шпагина М.Д., Вихлянцев И.М., Малышев С.Л., Осипова-Бледжянц Д.А., Макаренко И.В., Хижняк Е.Е., Федюшин А.А., Гордиенко Т.В., Ильинский И.М. Выяснение роли саркомерных цитоскелетных белков в в патогенезе амилоидозов с целью разработки метода их ранней диагностики // Сб.: «Фундаментальные науки - медицине», (под ред. О.Г. Газенко, М.В. Угрюмова, А.А. Макоско, В.В. Круговых), Москва, «Слово», 2006, с. 21-22.

9. Khizhnyak E.P. and Khizhnyak E.E. Self-structurization processes in superficial layers of water studied using method of high resolution infrared thermography. // Second Annual International Conference on "The Physics, Chemistry and Biology of Water", October 18-21, 2007, West Dover, Vermont (Mt. Snow Resort), USA.

10 Jian-ming Zheng, Binghua Chai, Ну ok Yoo, EugeneE. Khiiniak, Qing Zhao, Adam Wexler, Rainer Stahlberg, Kate Ovchinnikoya, lyan Klyuzhin, Laura Marshall and Gerald H.Pollack. Water Structuring at Interfaces may be More Extensive than Generally Thought. // Second Annual International Conference on "The Physics, Chemistry and Biology of Water", October 18-21, 2007, West Dover, Vermont (Mt. Snow Resort), USA.

11 .Khizhnyak E.P. and Khizhnyak E.E. Unusual diffusion processes associated with interfacial layers of water. // III International Conference on "The Physics, Chemistry and Biology of Water", October 16-20, 2008, West Dover, Vermont (Mt. Snow Resort), USA.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Хижняк, Евгений Евгеньевич, Пущино

1. Абрамзон А.А., Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение 2-е изд. (JL: Химия, 1981)

2. Абрамзон А.А, Щукин Е Д (Ред.) Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: Справочник (Л.: Химия, 1984)

3. Авдуевский B.C. (Гл. ред.) Гидромеханика и процессы переноса в невесомости (Свердловск: УНЦ АН СССР, 1983)

4. Авдуевский B.C. (Гл. ред.) Технологические эксперименты в невесомости (Свердловск: УНЦ АН СССР, 1983)

5. Авдуевский B.C. и др. Проблемы космического производства (М.: Машиностроение, 1980)

6. Авдуевский B.C., Полежаев В И (Ред.) Гидромеханика и тепломассообмен в невесомости (М.: Наука, 1982)

7. Бецкий О.В. Вода и электромагнитные волны. Биомедицинская радиоэлектроника, 1998, № 2, с. 3-6.

8. Бецкий О.В. Миллиметровые волны в биологии и медицине. -Радиотехника и электроника, 1993, т. 38, №10, с. 1760-1782.

9. Бецкий О.В., Кислов В.В., Девятков Н.Д. «Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии». Биомедицинская радиоэлектроника, 1998, № 4, с. 13-29.

10. Бецкий О.В., Кислов В.В., Лебедева Н.Н. Миллиметровые волны и живые системы. // М.: «Сайнс-пресс», 2004, 272 с.

11. Бецкий О.В., Лебедева Н.Н., Котровская Т.И. Фракталы в биологии и медицине. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2002, № 1011, с. 40-50.

12. Бецкий О.В., Петров И.Ю., Тяжелов В.В., Хижняк Е.П., Яременко Ю.Г. Распределение электромагнитных полей миллиметрового диапазона в модельных и биологических тканях при облучении в ближней зоне антенн-излучателей // ДАН, 1989, 309(1), стр. 230-233.

13. Братухин Ю.К., Брискман В.А., Зуев А.Л., Пшеничников А.Ф., в сб. Гидромеханика и тепломассообмен при получении материалов (Отв. ред. B.C. Авдуевский, В.И. Полежаев) (М.: Наука, 1990) с. 273

14. Буссе Ф.Г., Гидродинамические неустойчивости и переход к турбулентности (Под ред. X. Суиннери, Дж. Голлаба) (М.: Мир, 1984) с. 124

15. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей 2-е изд. (М.: Наука, 1972) Translated into English: Vargaffik N В Tables on the Thermophysical Properties of Liquids and Gases 2nd ed. (Washington: Hemisphere Publ. Corp., 1975).

16. Ганиев Р.Ф., Лапчинский В Ф Проблемы механики в космической технологии (М.: Машиностроение, 1978)

17. Гетлинг А.В., Конвекция Рэлея—Бенара. Структуры и динамика (М.:Эдиториал УРСС, 1999)

18. Гетлинг А.В., УФН161 (9) 1 (1991)

19. Гришин С.Д., Лесков Л В Индустриализация космоса: проблемы и перспективы (М.: Наука, 1987)

20. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. -М.: Радио и связь, 1991, с. 168.

21. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В. Особенности медико-биологического применения миллиметровых волн. М.: ИРЭ РАН, 1994.

22. Зуев А.Л., Пшеничников А Ф ПМТФ (3) 90 (1987) Zuev A L, Pshenichnikov A F J. Appl. Mech. Tech. Phys. 28 399 (1987).

23. Зуев А.Л., Костарев К.Г., Особенности концентрационно-капиллярной конвекции. УФН, Том 178, №10, с. 1065-1085.

24. Иваницкий Г.Р., Деев А.А., Хижняк Е.П., Хижняк Л.Н. Тепловидение в медицине: сравнительная оценка инфракрасных систем диапазонов длин волн 3-5 и 8-12 мкм для диагностических целей //ДАН, 2006, том 407, №2, стр. 258-262

25. Иваницкий Г.Р. и др. Доклады РАН 374 548 (2000)

26. Иваницкий Г.Р. и др. Доклады РАН 375 685 (2000)

27. Иваницкий Г.Р., Кравченко В.В., Цыганов М.А. Доклады РАН 383 263 (2002)

28. Иваницкий Г.Р., Кринский В.И., Сельков Е.Е. Математическая биофизика клетки (М.: Наука, 1978)

29. Иваницкий Г.Р., Медвинский А.Б., Цыганов М.А. УФН164 1041 (1994)

30. Иваницкий Г.Р., Деев А.А., Хижняк Е.П. Структуры на поверхности воды, наблюдаемые с помощью инфракрасной техники. // Успехи физических наук, 2005, том 175, № 11, стр. 1207-1216.

31. Ивков В.Г., Берестовский Г. Н., Динамическая структура липидного бислоя, М., 1981

32. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Липидный бислой биологических мембран. М.: Наука, 1982

33. Катаев А.А., Александров А.А., Тихонова Л.И., Берестовский Г.Н. Частотозависимое влияние миллиметровых электромагнитных волн на ионные токи водоросли Nitellopsis. Нетепловые эффекты // Биофизика. -1993.- Т. 38.- Вып. 3.- С. 446-462

34. Квасников И.А. Термодинамика и Статистическая Физика. Теория неравновесных систем (1987) Изд. МГУ. Стр. 93-115

35. Кринский В.И., Михаилов А.С., Автоволны. Серия — Физика (10) (М.: Знание, 1984) с. 28

36. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М., Гидродинамика, М.: Наука, 1988

37. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика 2-е изд. (М.: ГИФМЛ, 1959) Translated into English: Levich V G Physicochemical Hydrodynamics (Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1962).

38. Мацуо M., Отоси С., Соединения фтора (М.: Мир, 1990)

39. Мышкис А.Д. (Ред.) Гидромеханика невесомости (М.: Наука, 1976) Translated into English: Myshkis A D (Ed.) Low-Gravity Fluid Mechanics (Berlin: Springer-Verlag, 1987).

40. Николаев Н.И., Диффузия в мембранах, М., 1980

41. Николис Г., Пригожин И.; Познание сложного. М.: Мир, 1990. 342 с.

42. Никольский Б.П. (Гл. ред.) Справочник химика Т. 3, 2-е изд. (Л.: Химия, 1964).

43. Повицкий А.С., Любин Л.Я., Основы динамики и тепломассообмена жидкостей и газов при невесомости (М.: Машиностроение, 1972)

44. Поздняков А.В. Самоорганизация целостных систем как результат спонтанного стремления к равновесию // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15, № 1. с. 101-109

45. Пресман А.С. Электромагнитные поля и живая природа. М. Наука, 1968, 287 с.

46. Пригожин И. От существующего к возникающему: Время и сложность в физических науках / Пер. с англ. М.: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1985. 328 с.

47. Пригожин И. Философия необратимости // Вопр. философии. 1991. № 6

48. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М.: Изд. Гр. «Прогресс», 1999. 266 с.

49. Пшеничников А.Ф., Токменина А.Т., Изв. АН СССР. Мех. жидк. и газа (3) стр. 150-153 (1983)

50. Стойлов Ю.Ю. УФН 170 41 (2000)

51. Твердислов В.А., Яковенко Л.В., Твердислова И.Л. Принцип параметрического фракционирования (разделения) веществ в биологических системах и технологиях. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2007, т. LI, № 1, стр.114-119.

52. Твердислов В.А., Яковенко Л.В., Жаворонков А.А. Хиральность как проблема биохимической физики. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2007, т. LI, № 1, стр. 13-22.

53. Федоров К.Н., Гинзбург А. И., Приповерхностный слой океана, Л.: Гидрометеоиздат, 1988

54. Франк-Каменецкий Д.А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., М., 1967

55. Хаазе Р., Термодинамика необратимых процессов, пер. с нем., М., 1967

56. Хакен Г., Синергетика (М.: Мир, 1980)

57. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. М., Наука, 2001.

58. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. Введение в теорию диссипативных структур, (перевод с немецкого под ред. Ю.Л.Климонтовича). Москва Ижевск, 2004, 256 стр.

59. Эйдельман Е.Д., Соросовский образовательный зкурн. 6 (5) 94 (2000)

60. Adamson A W Physical Chemistry of Surfaces 3rd ed. (New York: Wiley, 1976)

61. Ahlers G., Cannell D.S., Steinberg V Phys. Rev. Lett. 54 1373 (1985)

62. Altair Manual S9901 .DO 1. Rev A // CEDIP Infrared Systems, Croissy-Beaubourg (France), 2004, p. 51.

63. Asakura, S. and Oosawa, F. (1958) J. Polym Sci. 33: 183, 1958.

64. Assenheimer M., Steinberg V Nature 367 345 (1994)

65. Barton K.D., Subramanian R S J. Colloid Interface Sci. 133 211 (1989)

66. Berg J.C., Acrivos A, Boudart M, Evaporative Convection //Adv. Chem. Eng. 6, pp. 61-121 (1966)

67. Birikh R.V. et al. Liquid Interfacial Systems: Oscillations and Instability (New York: Marcel Dekker, 2003)

68. Briskman V.A. et al., in Proc. 1st Intern. Symp. on Microgravity Research & Applications in Physical Sciences and Biotechnology, Sorento, Italy, 2000 (ESA SP, 454, Ed. В Schiirmann) (Noordwijk: ESA Publ. Division, 2001) p. 207

69. Busse F.H. Rep. Prog. Phys. 41 1929 (1978)

70. Busse F.H., Clever R M J. Fluid Mech. 102 75 (1981)

71. Chen J., Stebe K. J., J. Fluid Mech. 340, pp. 35-59 (1997)

72. Chen Y.S. et al. Int. J. Multiphase Flow Vol. 23, Issue 2, pp. 325-335.(1997)

73. Clever R.M., Busse F H J. Fluid Mech. 65 625 (1974)

74. Cerisier P., Pantaloni J., Finiels G., and Amalric R. Thermovision applied to BenardMarangoni convection. // Applied optics, 1982, vol. 21, No 12, pp. 21532159.

75. E.A.Cheever, K. Foster, "Microwave radiometry in living tissue: What does it measure ?" IEEE Trans. Biomed. Eng., 1992, vol. 39, № 6, pp. 563-568.

76. Crocker, J.C. Matteo, J. A., Dinsmore, A. D., and Yodh, A. G. Entropic attraction and repulsion in binary colloids probed with a line optical tweezer (1999). Phys. Rev. Lett. 82(21) 4352-4355.

77. Fesenko E.E., Geletyuk V.I., Kazachenko V.N., Chemeris N.K. Preliminary microwave irradiation of water solution changes their channel-modifying activity. FEBS Letters, 1995, vol. 366, pp. 49-52.

78. Furia L., Hill D.W. and Gandhi O.P. Effect of millimeter-wave irradiation on growth of Saccharamyces cerevisiae. // IEEE Trans. Biomed. Eng., 1986, vol. BME-33, № 11, pp. 993-999.

79. Gaines G.L. (Jr.) Insoluble Monolayers at Liquid-Gas Interfaces (New-York: Wiley Intersci. Publ., 1966)

80. Gollub J.P., McCarriar A.R., Steinman J.F., J. Fluid Mech. 125 259 (1982)

81. Grundler W., Kaiser F., Keilmann F., Walleczek J. Mechanisms of electromagnetic interaction with cellular systems. Naturwissenschaften, 1992, 79:551-559.

82. Grundler W., Keilmann F. and Frohlich H. Resonant growth rate response of yeast cell irradiatrd by weak microwaves. // Physical Review Lett. 1977, vol. 62A, pp. 463-466.

83. Grundler W., Keilmann F. Nonthermal effects of millimeter microwave on yeast grows. Z. Naturforsh., 1978, vol. 15, p. 33.

84. Heitner-Wirguin, J. Membrane Sc. (1996). 120:

85. Hershey A.V., Ridges in a Liquid Surface Due to the Temperature Dependence of Surface Tension //Phys. Rev. 56 pp.204 (1939)

86. Heutmaker M.S., Gollub J. P., Phys. Rev. A 35 242 (1987)

87. Israelachvili, J. Intermolecular and Surface Forces (1992). Acad. Press. San Diego.

88. Ito, K., Yoshida, H. and Ise, N. Void structure in colloidal dispersions (1994). Science 263: 66-68.

89. Kamotani Y. et al,. Int. J. Heat Mass Transfer 28, Issue 1, pp. 165-173 (1985)

90. Keilmann F., Grundler W. "Sharp resonances in yeast growth prove nonthermal sensitivity to microwaves." Physical Review Lett., vol. 51, № 13, pp. 1214-1216, 1983.

91. Khizhnyak E.P., Ziskin M.C. / Heating patterns in bioligical tissue phantoms caused by milimeter wave electromagnetic irradiation. // IEEE Trans. Biomed. End. 1994. - Vol. 41, № 9. - P.865-873.

92. Khizhnyak E.P. and Ziskin M.C. Temperature Oscillation in Liquid Media Caused by Continuous (Nonmodulated) Millimeter Wavelength Electromagnetic Irradiation. Bioelectromagnetics, 1996, 17, pp. 223-229.

93. Khizhnyak E.P., Ziskin M.C. / Infrared Thermography in Experimental Dosimetry of Radio Frequency and Millimeter Wavelength Radiation Exposure. Radio Frequency Radiation Dosimetry // Kluwer Academic Publishers, 2000, pp. 199-205.

94. Krishnamurti R.J., Fluid Mech. 42 295 (1970)

95. Krishnamurti R J. Fluid Mech. 60 285 (1973)

96. Levich V.G., Krylov V.S., Annl. Rev. Fluid Mech., Vol. 1, pp. 293-316 (1969)

97. Loulergue J.C. Thin Solid Films 82 61 (1981)

98. M. C. Cross and P. C. Hohenberg, Rev. of Mod. Phys. 65, 851 (1993).

99. M.C. Cross, M. R. Paul and M. I. Einarss, P. F. Fischer, Extensive Chaos in Rayleigh-Bernard Convection; March 5, 2007

100. Marangoni C., Sull'espansione delle gocce di un liquido gallegianti sulla superficie di altro liquido (Pavia: Tipografia dei fratelli Fusi, 1865)

101. Monti R. (Ed.) Physics of Fluids in Microgravity (London: Taylor & Francis, 2001)

102. Nallani M., Subramanian R.S., J. Colloid Interface Sci. 157, pp. 24-31 (1993)

103. Ostrach S., in Materials Sciences in Space with Application to Space Processing (Prog, in Astronautics and Aeronautics, Vol. 52, Ed. L Steg) (New

104. York: Am. Inst, of Aeronautics and Astronautics, 1977) Острах С, в сб. Космическая технология (Под ред. ЛСтега)(М.:Мир,1980)с.9.

105. Palmer H.J., Berg J.C., Convective instability in liquid pools heated from below //J. Fluid Mech. 47:4, pp. 779-787 (1971)

106. Palmer H.J., Berg J.C., Hydrodynamic stability of surfactant solutions heated from below //J. Fluid Mech. 51 pp. 385-402 (1972)

107. Paul M.R., Einarsson M.I., Fischer P.F., and Cross M.C., Extensive chaos in rayleigh-benard convection. Physical Review E (Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics), 75(4):045203, 2007

108. Pollack, G. H. Cells, Gels and the Engines of Life: A New, Unifying Approach to Cell Function (2001). Ebner and Sons, Seattle.

109. Rath H.J. (Ed.) Microgravity Fluid Mechanics (Berlin: Springer Verlag, 1992)

110. Rayleigh, Lord, Philos. Mag. 32 529 (1916)

111. Rayleigh, Lord, Proc. R. Soc. London, Ser. A 93 148 (1916)

112. Sanfeld A., Legros J.C., Velarde M.G., in Fluid Sciences and Materials Science in Space: a European Perspective (Ed. H U Walter) (Berlin: Springer-Verlag, 1987) p. 84

113. Scriven L.E., Sternling С.V., The Marangoni Effects //Nature, 187, pp. 186188 (1960)

114. Shapiro D.L., Notter R.H. (Eds) Surfactant Replacement Therapy (NewYork:A.R.Liss, 1989)

115. Simons J.H. (Ed.) Fluorin Chemistry (New York: Academic Press, 1964)

116. Somerscales E.F.C., Dougherty T. S., J. Fluid Mech. 42 755 (1970)

117. Stoilov Yu.Yu., Langmuir 14 5685 (1998)

118. Sumino Y. et al. Phys. Rev. Lett. 94 068301 (2005)

119. Zaikin A.N., Zhabotinsky A.M., Nature 225 535 (1964)i/