Динамика флуктуаций параметра порядка в жидкостях и их проявление в оптических и акустических явлениях

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время в мире в связи с продолжающимся развитием физики фазовых переходов и кооперативных явлений в жидкостях, а также оптики сильнофлуктурирующих сред чрезвычайно актуальна проблема исследования физических процессов, протекающих в области критических и особых точек однокомпонентных жидкостей и растворов, когда начинают проявляться крупномасштабные корреляции и процессы структурного образования и распада на наноразмерных пространственных и временных масштабах. Данные исследования связаны с установлением особенностей взаимодействия коллективных степеней свободы среды (параметр порядка) с внутренними степенями свободы при фазовых переходах. Решение этой проблемы имеет важное научно-прикладное значение для практической реализации перспективных нано-технологических направлений в области современной биофизики, биохимии и биотехнологии. Ценная информация для выявления коррелятивных свойств жидкостей на нано-масштабах может быть получена при изучении динамики изменения интегральной интенсивности, спектральной ширины и частотного смещения компонент тонкой структуры в спектре релеевского рассеяния света в окрестности критической и особой точек состояния жидкости. Исследование спектра молекулярного рассеяния света позволяет получать уникальную информацию о структуре и кинетических свойствах вещества ввиду того, что спектральный состав рассеянного света определяется динамикой флуктуаций различных термодинамических величин исследуемой среды. Однако практическая реализация такого рода исследования - весьма сложная экспериментальная задача. Вблизи критической точки регистрация тонкой структуры спектра осложняется высоким уровнем флуктуаций в среде, приводящим к сильному росту интенсивности рассеяния на частоте возбуждающего света. По этой причине до настоящего времени исследования тонкой структуры спектра рассеянного света в окрестности критических точек жидкостей весьма ограничены. Востребованность темы диссертации обусловлена необходимостью установления закономерностей динамики флуктуационных и структурообразующих явлений на масштабах среднего молекулярного порядка в окрестности критических и особых точек состояния жидкости, а также развития спектроскопической методики инвазивной (бесконтактной) идентификации термодинамически устойчивых и неустойчивых состояний жидкости. Решение этой проблемы представляет важное значение для развития таких научно-прикладных направлений как создание строгой теории молекулярного рассеяния света в сильно флуктурирующих средах, теории жидкого состояния и получение материалов с контролируемыми свойствами. Настоящая диссертация в определенной степени посвящена решению задач, указанных в Постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетах развития промышленности Республики Узбекистан в 2011-2015 годах» от 15 декабря 2010 года, а также в других нормативноправовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является установление физических механизмов проявления динамики флуктуаций параметра порядка в спектральном составе оптического излучения, рассеянного в окрестности критической и особой точки термодинамически неустойчивого состояния жидкости. Научная новизна исследования заключается в следующих результатах: экспериментально доказан пространственный вклад в механизм дисперсии скорости высокочастотного звука в окрестности особой точки раствора, установлено микрогетерогенное строение раствора при температурах ниже особой точки с радиусом корреляции структурной неоднородности ~10 нм; экспериментально установлено проявление в тонкой структуре спектра процесса некогерентного рассеяния гиперзвука на флуктуациях параметра порядка. Установлено, что динамика флуктуаций параметра порядка описывается в рамках теории Ландау фазовых переходов второго рода. Обоснован механизм избыточного спектрального уширения компонент тонкой структуры в спектре рассеянного света в окрестности температуры особой точки раствора; установлен фазовый переход «жидкость-жидкость» структурного типа в растворе при температуре ниже особой точки, показана применимость теории Ландау для описания динамики флуктуаций параметра порядка при структурном фазовом переходе; выявлены физические механизмы сужения спектра анизотропного рассеяния света при приближении к температуре фазового перехода «изотропная жидкость - жидкий кристалл» и экспериментально доказано существование температурного интервала, в котором динамика изменения ширины спектра и времени релаксации флуктуаций параметра порядка описывается в рамках среднеполевого приближения теории Ландау - де Жена; показано, что радиус корреляции флуктуаций параметра порядка определяет предел применимости теории Ландау - де Жена для описания динамики критических явлений в изотропной фазе жидкого кристалла, установлено существование области кроссовера от среднеполевого описания динамических свойств изотропной фазы к флуктуационному вблизи температуры фазового перехода; экспериментально показана универсальность динамики флуктуаций параметра порядка в окрестности особой точки раствора, при фазовом переходе «жидкость-жидкость» структурного типа и при фазовом переходе «изотропная жидкость - жидкий кристалл». ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Для решения поставленных задач были использованы разработанные нами экспериментальные установки и методики исследования спектров изотропного и анизотропного рассеяния света в окрестности особой точки раствора и критической точки фазового перехода в жидком кристалле. Получение достоверной информации о частотном распределении интенсивности в спектре рассеянного света обеспечивалось применением в качестве источника возбуждающего излучения стабилизированного по частоте He-Ne лазера, сферического интерферометра и высококонтрастного двухпроходного интерферометра Фабри-Перо. 2. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование тонкой структуры спектра рассеянного света в водных растворах неэлектролитов в широком интервале температур t и концентраций х, включая особую точку неустойчивого термодинамического равновесия. Показана однозначная корреляция между характером изменения частотного смещения компонент тонкой структуры спектра и процессом перестройки структуры растворов при изменении температуры и концентрации. 3. Экспериментально установлено существование сплошной сетки водородных связей в растворах малых концентраций и определены критерии ее трехмерной целостности и границы разрушения при изменении температуры и концентрации неэлектролита в растворе. Критерием, позволяющим идентифицировать переходы между структурно-равновесными состояниями растворов, является смена знака производной адиабатической сжимаемости по температуре dps/d^ и концентрации dPs/dx. 4. Экспериментально доказано существование в растворе с особой точкой нового физического явления - отрицательной дисперсии скорости гиперзвука, теоретически предсказанной Владимирским и Гинзбургом. По экспериментальному значению дисперсии и выводам теории Гинзбурга (учет пространственной дисперсии) оценен радиус корреляции структуры раствора, составляющий величину ~10 нанометров. 5. Показано, что избыточное спектральное уширение компонент тонкой структуры спектра вблизи температуры особой точки обусловлено дополнительным механизмом увеличения коэффициента затухания гиперзвука за счет его некогерентного рассеяния на флуктуациях параметра порядка. 6. Установлено, что динамика флуктуаций параметра порядка в окрестности температуры особой точки исследованных водных растворов описывается теорией Ландау фазовых переходов второго рода с критическим индексом обобщенной восприимчивости у=1. Показано, что непосредственной близости к температуре особой точки радиус корреляции флуктуаций £ определяется степенью удаленности состояния раствора от двойной критической точки и составляет ~2-3 нм в растворе ЗМП-вода и ~7-10 нм в растворе ацетон-вода. 7. Экспериментально доказано существование фазового перехода «жидкость-жидкость» структурного типа в растворе 4МП-вода при температурах ниже особой точки и его проявление в температурной зависимости смещения компонент тонкой структуры спектра в окрестности точки перехода. Установлено, что динамика флуктуаций параметра порядка при фазовом переходе «жидкость-жидкость» описывается в приближении теории Ландау. Вблизи температуры фазового перехода радиус корреляции флуктуаций составляет ~5 нм. 8. Установлено, что температурная динамика ширины спектра анизотропного рассеяния и времени релаксации флуктуаций параметра порядка при приближении к температуре фазового перехода «изотропная фаза - жидкий кристалл» описывается теорией Ландау - де Жена с критическим индексом обобщенной восприимчивости у=1. По величине радиуса корреляции флуктуаций параметра порядка определен критерий применимости теории для описания динамических свойств изотропной фазы. 9. Экспериментально показано, что теория Ландау - де Жена описывает динамику флуктуаций параметра порядка в температурном интервале, где радиус корреляции флуктуаций £ принимает значения 3£о<£<1О£о (^о^О-б нм -величина порядка длины молекулы). Показано, что в непосредственной близости к температуре фазового перехода, где £>1О^о, сужение спектра анизотропного рассеяния и избыточный рост времени релаксации обусловлен кроссоверным (от среднеполевого к флуктуационному) характером поведения динамических свойств изотропной фазы. 10. Закономерности изменения спектрального состава рассеянного света вблизи критической и особой точки жидкости - 1) сужение спектра деполяризованного рассеяния вблизи температуры фазового перехода в жидком кристалле, 2) избыточное спектральное уширение компонент тонкой структуры спектра в окрестности особой точки раствора, 3) сингулярность в температурной зависимости частотного смещения компонент тонкой структуры в окрестности фазового перехода «жидкость-жидкость» -обусловлены температурной динамикой радиуса корреляции флуктуаций параметра порядка, которая носит универсальный характер.