Теплофизические исследования влагосодержащих дисперсных систем на основе фуллерена С60

МУРАТОВА Татьяна Владиславовна, аспирант кафедры общей и экспериментальной физики Московского государственного педагогического университета

ИЛЬИН Вадим Алексеевич, доктор физикоматематических наук, профессор кафедры общей и экспериментальной физики Московского государственного педагогического университета, профессор кафедры общей физики Поморского университета. Автор 26 научных публикаций, в т. ч. 3 монографий

КОПОСОВ Геннадий Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой общей физики Поморского университета. Автор 97 научных публикаций, в т.ч. монографии и учебного пособия

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНА С60

Фуллерен С60, свободная и связанная вода, дисперсная система, лед, теплоемкость, фазовый переход

Изучение содержащих влагу дисперсных систем (ДС) представляет значительный интерес, особенно в отрицательной области температур. Параметры квазидвумерных пленок связанной воды и образующегося из нее льда различных модификаций существенным образом зависят от кристаллографической структуры поверхности гранул ДС. Исследование ДС на основе различных материалов, таким образом, является актуальной задачей и привлекает внимание исследователей. При этом можно назвать ряд направлений, в которых ведутся подобные исследования: изучение теплофизических свойств влагосодержащих ДС [1, 2], измерение их диэлектрических параметров в низкочастотной и высокочастотной области [3, 4] и т.д. Изучались ДС на основе песка [3], кварца [4], слюды [5], ряда органических материалов [1, 2, 6]. Использование каждого нового материала, на базе которого реализуется влагосодержащая ДС, вносит вклад в понимание процессов, происходящих в квазидвумерных водяных пленках. Это в полной мере относится и к ДС на основе фуллерена С60, изучению которых посвящена данная статья.

Открытые некоторое время назад фул-лерены представляют собой новую форму углерода, в дополнение к алмазу и графиту. Особенностью молекул фуллерена является их почти сферическая форма [7]. Атомы углерода, образующие сферу, свя-

заны между собой сильной ковалентной связью.

Хорошо известно [7], что фуллерен С60 имеет несколько структурных модификаций. При относительно высоких температурах устойчивой является фаза с ориентационно-разупорядоченной гранецентрированной кубической решеткой. Понижение температуры приводит к переходу С60 в фазу с простой кубической решеткой. Этот фазовый переход является классическим переходом 1-го рода.

При изучении ДС на основе фуллеренов наибольший интерес представляет вопрос о том, влияет ли их структура на фазовые переходы свободной и связанной влаги, содержащейся в ДС. Решить его возможно путем изучения температурных зависимостей ди -электрической проницаемости, как это сделано в [8]. Однако подобных измерений недостаточно для исчерпывающего объяснения особенностей фазовых переходов в ДС на основе С60. Для этого целесообразно провести также экспериментальные исследования температурных зависимостей удельной теплопроводности ДС в условиях, соответствующих [8].

Целью данной работы является проведение исследований температурных зависимостей теплоемкости С(Т) ДС, увлажненных дистиллированной водой, в области температур -196 —25°С при весовых влажностях -W = 0-18%, то есть в условиях, соответству-

ющих условиям [8]. Теплофизические исследования были выполнены с помощью калориметра на анизотропных термоэлементах, описание которого дано в [9].

Исследуемые образцы представляли собой порошок фуллерита с размерами гранул

0,1 —0,5 мм, изготовленный путем хроматографического деления смеси фуллеренов на активированном угле с использованием толуола в качестве подвижной фазы [7]. Смесь фуллеренов получена в Институте металлоорганической химии РАН с помощью экстракции толуолом сажи в аппарате Сокслета. Чистота образцов, определенная методом ВЖХ, составляет > 99,98%.

На рис. 1 показана температурная зависимость удельной теплоемкости С60 при нулевой влажности. Обращает на себя внимание пик, вершина которого приходится на ~20°С. Согласно [7], этот пик соответствует указанному выше структурному переходу. При температуре —40°С наблюдается скачок удельной теплоемкости на « 9%, природа

которого пока не ясна. Отсутствие влаги подтверждается тем фактом, что переход через температуру 0°С не сопровождается температурными аномалиями.

Результаты исследования содержащих влагу ДС показаны на рис. 2.

Кривые С(Т) соответствуют влажностям W = 0%, 3,5%, 6,5% 11%, 13%. В области низких температур, Т = -160 - -40°С, зависимости С(Т) для ДС с разными влажностями практически не отличаются друг от друга и лежат выше аналогичной зависимости для сухого фуллерена. Начиная с Т = -40°С, теплоемкости сухого и влажного фуллеренов сравниваются.

При дальнейшем повышении температуры на кривой С(Т), как и на рис. 1, появляется пик, соответствующий структурному фазовому переходу (см. также рис. 3). При всех влажностях площадь, ограничиваемая пиком, примерно одна и та же, однако положение максимума смещается по температуре немонотонным образом. Смещение максимума

и

Рис. 1. Температурная зависимость теплоемкости сухого фуллерена С60

і, °С

200

150

100

50

0

X W=0% -в—W=6,5% о W=13%

-160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

t, °С

Рис. 2. Температурные зависимости теплоемкости ДС на основе фуллерена С60 при влажностях 1-W = 0%, 2-W = 6,5%, 3-W = 13%

t, öC

Рис. 3. Температурные зависимости теплоемкости ДС на основе фуллерена С60 при влажностях W = 0; 3; 6,5; 13% в области фазового перехода

свидетельствует о том, что влага влияет на структурный переход в фуллерене. При этом, по-видимому, данное влияние зависит как от типа влаги (свободная или связанная), находящейся на поверхности гранул фуллерена, так и от модификации льда, который из нее образуется.

Характерной особенностью зависимостей С(Т) является пик с высокой интенсивностью, который наблюдается при температуре ~0°С. Этот пик связан с переходом 1-го рода - замерзанием свободной влаги в ДС. Интенсивность пика закономерно растет с повышением влажности, что связано с увеличением содержания свободной воды в ДС. Это особен-

но заметно при W > 13%, когда основная часть влаги в ДС представляет собой свободную воду.

Изложенные выше простые соображения позволяют объяснить основные теплофизические свойства ДС на основе фуллерена С60, однако целый ряд особенностей не находит объяснения в предлагаемой выше простой модели. Для их понимания необходимо проведение дальнейших исследований, возможно, экспериментальных.

Авторы признательны В.Л. Карнацевичу за предоставление фуллерена С60, Д.Ю. Бар-дюгу за участие в проведении экспериментов и обсуждении результатов.

Список литературы

1. Исследование фазовых переходов воды в дисперсных системах в области отрицательных температур I

ЛЛ. Bорожцова, B.A. Ильин, О.Ю. Ешевский, Г.Д. ^посов II Вестн. Поморского ун-та. 2GG2. № 3. С. 6G-66.

2. ^посов Г.Д., Ешевский О.Ю. Электрическая проводимость влагосодержащей глины в интервале температур 77-3GG К II Физич. вестн. Поморского ун-та. 2GG2. Вып. 2. С. 26-29.

3. Особенности фазовых переходов в пленках связанной воды на поверхности гранул дисперсных систем I Е.Ю. Бахтина, О.Ю. Ешевский, B.A. Ильин, M.A. Keржавчиков II Конденсированные среды и межфазные границы. 2GG1. Т. 3. № 2. С. 136-143.

4. Ешевский О.Ю., Ильин B.A., ^посов Г.Д. Фазовые переходы воды в дисперсных системах на основе неорганических материалов II Физико-химические процессы в конденсированных состояниях и на межфазных границах: сб. тр. междунар. конф. Воронеж, 2GG2. С. 429-43G.

5. Bасильев M.B., Ильин B.A. Исследование фазовых переходов в тонких пленках льда в дисперсных системах II Там же. С. 276.

6. ^посов Г.Д., Бардюг Д.Ю., Голенищева И.Н. Электрическая проводимость влагосодержащего порошка активированного угля в диапазоне температур 77-3GG К II Физич. вестн. Поморского ун-та. 2GG4. Вып. 3. С. 42-46.

7. Фуллерены I Л.Н. Сидоров, M.A. Юровская и др. II М., 2GG4.

8. Bасильев M.B., Ильин B.A. Высокочастотные измерения увлажненных дисперсных сред на основе фуллерена С60 II Конденсированные среды и межфазные границы. 2GG5 (в печ.).

9. Ешевский О.Ю., Ильин B.A., ^посов Г.Д. Низкотемпературный калориметр на анизотропных элементах для исследования дисперсных систем II Приборы и техника эксперимента. 2GG1. № 5. С. 132133.

Muratova Tatiana, Ilyin Vadim,, Koposov Gennady

THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF DISPERSED SYSTEMS CONTAINING WATER BASED ON FULLERENES C60

The results of experimental research of dispersed systems containing water based on fullerenes C60 are produced. The influence of quasi two-dimensional films of bounded water and ice formed from them on thermo physical properties of fullerene-based system is shown.

Рецензент - Матвеев В.И., доктор физико-математических наук, профессор Поморского университета