Эволюция фототермокапиллярного эффекта и разработка методов лазерной диагностики жидкостей на его основе тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ЧЕМОДАНОВ Сергей Игоревич

ЭВОЛЮЦИЯ ФОТОТЕРМОКАПИЛЛЯРНОГО ЭФФЕКТА И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ЖИДКОСТЕЙ НА ЕГО ОСНОВЕ

Специальность 02.00.04 — Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Тюмень - 2006

Работа выполнена на кафедре радиофизики Тюменского государственного университета в лаборатории «Жидкостные микрогравитационные технологии»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук, ведущий доцент Безуглый Борис Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Аринштейн Эдуард Абрамович

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией Крикунов Владимир Владимирович

Ведущая организация:

Институт физической химии РАН, г.Москва

Защита состоится 31 марта 2006 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета К 212.274.04 в Тюменском государственном университете по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Перекопская 15а, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Тюменского государственного университета.

Автореферат разослан " ЛК " <рое.&ра.л 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ш

кандидат химических наук /£а ¡глЗ/— Котова Т. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большое разнообразие фототермических (ФТ) методов физико-химического анализа веществ связано с растущими потребностями фармацевтической, химической и пищевой промышленностей. Увеличивающееся число новых методов анализа, основанных на фототермических эффектах, привело к тому, что в 2004 году IUP АС подготовил рекомендации по терминологии, обозначениям и размерностям в этой области [1]. В связи с тем, что традиционной сферой применения ФТ методов является спектроскопия, фототермокапиллярный (ФТК) эффект [2], используемый для измерения физико-химических свойств жидкостей и геометрии их слоев [2-4], долгое время рассматривался отдельно, и не вошел в существующие классификации. Однако, изменение поверхностного натяжения (ПН) под действием фотоиндуцирован-ного нагрева, и вызванная им термокапиллярная (ТК) конвекция, является, несомненно, ФТ эффектом, место которого показано в нашей классификации. К тому же, недавно сделана оценка возможности применения ФТК эффекта для спектроскопии и показано, что он «идеально подходит для спектроскопии сильно поглощающих твердых поверхностей и жидких слоев» [5].

Несмотря на то, что с момента открытия ФТК конвекции [6] появилось множество публикаций посвященных этому явлению, ее эволюция в прозрачных жидкостях на поглощающей подложке практически не исследована. Кроме того, отсутствуют публикации, посвященные ФТК конвекции в слое чистой воды. Именно в воде автор обнаружил, в конце 2001 г., два новых эффекта — задержку и всплеск ТК отклика, несущего в себе информацию о ФТК конвекции. Детальное исследование этих стадий эволюции ФТК конвекции и возможность применения полученных результатов для лазерной диагностики жидкостей (ЛДЖ) делает данную работу перспективной.

Цель работы — исследовать эволюцию ТК отклика слоя жидкости, особенно задержку и всплеск, и применить результаты этих исследований для разработки экспресс-методов ФТ диагностики жидкостей.

Новизна работы

1) Обнаружен и подробно исследован эффект задержки ТК отклика и его зависимость от толщины слоя и мощности пучка

для органических жидкостей разных классов и воды разной степени очистки от ПАВ.

2) Дано объяснение двум капиллярным явлениям, а именно, всплеску и автоколебаниям ТК отклика, которые мы экспериментально обнаружили.

3) Впервые исследован ФТК эффект в воде. Показана зависимость эффекта задержки ТК отклика от концентрации поверхностно-активных микропримесей в воде [Патент РФ № 2247966]. Продемонстрирована возможность определения поверхностного давления ПАВ на поверхности воды вплоть до малых концентраций, соответствующих идеальному двухмерному газу.

Практическая значимость. Разработанный метод контроля загрязнения воды поверхностно-активными микропримесями рекомендуем использовать в фармацевтической, химической и пищевой промышленности для контроля в реальном времени 1 концентрации органических веществ в воде. Этот метод эффективней весов Вильгельми в установках для изучения пленок Лен-гмюра и получения пленок Ленгмюра-Блоджетт, как более тонкий неинвазивный инструмент. К тому же, измерения времени задержки или параметров всплеска позволяют бесконтактно определять толщину слоя жидкости, ее вязкость и температуропроводность. Разработана компьютеризованная ФТ установка по исследованию ФТК эффекта (в частности, эффекта задержки ТК отклика) для использования в научных исследованиях и учебном процессе. Эта установка внедрена в ТюмГУ и легко может быть тиражирована по доступной цене.

Достоверность полученных результатов основана на тщательной разработке методик экспериментов и подтверждается их воспроизводимостью, а, в ряде случаев - независимыми данными, полученными другими способами.

На защиту выносятся: 1

1) Результаты экспериментального исследования ФТК эффекта в слое воды и органических жидкостей, прозрачных для индуцирующего излучения, в частности, эффектов задержки и всплеска ТК отклика.

2) Новый чувствительный метод определения концентрации ПАВ в воде, основанный на ФТК эффекте.

3) Новые экспресс-методы определения вязкости, температуропроводности жидкости и толщины ее слоя, основанные на эффекте задержки ТК отклика.

Апробация работы. Результаты исследований обсуждались на научно-методических семинарах физического факультета и доложены на: 16-ой Европейской конференции по химии межфазных поверхностей (Владимир, май 2003); 54th International Astronautical Federation Congress (Бремен, Германия, сентябрь-октябрь 2003); Всероссийской Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам (Звенигород, декабрь 2003); Первой Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, апрель 2004); Научно-методической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики в тематике на-^ учных исследований Тюменского региона» (Тюмень, февраль 2005);

Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» (Бийск, июль 2005); IX (Тюмень, 2002) и XII (Тюмень, 2005) Межотраслевом научном и методическом семинаре «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе одна статья в международном, одна статья в академическом журнале и патент РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, четырех приложений, заключения и списка литературы. Полный объем работы 130 стр., включая 57 рис. и 2 табл. Библиография содержит 157 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и показана научная и новизна работы, сформулированы цели исследования, кратко

изложено содержание работы.

В первой главе дан обзор всех известных ФТ эффектов, Л включая ФТК эффект, где показано что он является перспек-

тивным ФТ инструментом для лазерной диагностики жидкостей. Выяснена взаимосвязь этих эффектов и методов, основанных на них, рис. 1.

ИЗЛУЧЕНИЕ

Л

ПОГЛОЩЕНИЕ

_ Т _

ТЕПЛОВАЯ РЕЛАКСАЦИЯ, ST

Рис. I. Основные ФТ эффекты (показаны в квадратных рамках, где 5 - изменение, Р -давление, р - плотность, h - толщина, п - показатель преломления, M - испускательная способность, а - поверхностное натяжение) и методы (показаны в овальных рамках): PAS -фотоакустическая спектроскопия, PTSD - ФТ поверхностное отклонение, PTD - ФТ дифракция, РТС - ФТ калориметрия, PTI - ФТ интерференция, PTRf - ФТ рефракция (термолинзовый эффект и ФТ отклонение), PTR - ФТ радиометрия, РТСС -фототермокапиллярная конвекция, DTCR - задержка термокапиллярного отклика.

Во второй главе описана двухлучевая установка и методика эксперимента. Представлены результаты исследования эволюции ТК отклика в слоях органических жидкостей, прозрачных для индуцирующего излучения, на поглощающей подложке. Описаны эффекты задержки и всплеска ТК отклика, обнаруженные автором, и дано их объяснение. Изучена зависимость времени задержки ТК отклика от толщины слоя жидкости и мощности пучка лазера Приведено описание компьютеризованной ФТ установки для изучения ФТК эффекта и рассмотрены характерные сигналы, получаемые с ее помощью.

Схема эксперимента показана на рис. 2. Пучок лазера 1, мощность которого изменяли с помощью светофильтра 4, индуцировал ТК конвекцию в слое 14. Поскольку диаметр ТК деформации поверхности превосходил диаметр индуцирующего пучка на слое а, границы ТК отклика были размьггы. Для полного охвата зоны деформации свободной поверхности использовали расширенный сферическим зеркалом 8 пробный пучок лазера 2, который не вносил заметных возмущений. С помощью зеркал 5-8 установку

юстировали так, чтобы на экране 10 в поле зрения видеокамеры 16 находились отклики обоих пучков, ослабляя индуцирующий аттенюатором 9 до яркости пробного. Для выставления заданной толщины слоя использовали калиброванную проволочку 15 [4], а для достижения горизонтальности дна кюветы — микрометрический треножник И. В экспериментах использовали шесть органических жидкостей: п-октан, 1,4-диоксан, изопропанол, п-бунанол, бензи-ловый спирт и этиленгликоль, перечисленных в порядке возрастания из вязкости т], играющей существенную роль в любом конвективном движении. Следует отметить, что определяющим фактором, влияющим на вязкость жидкостей, является межмолекулярное взаимодействие. В частности, для спиртов основной вклад в нее вносит энергия водородной связи, в то время как у те-октана и 1,4-диокса-на межмолекулярная ассоциация отсутствует.

Рис. 2. Схема эксперимента. 1 и 2 Не-№ (А = 633 нм) одномодовый ЛГ-25-1 (индуцирующий, Р = 20.9 мВт) и ЛГН-207а (пробный, Р = 0.5 мВт) лазеры, 3 - затвор, 4 - светофильтр, 5-8 зеркала, 9 - светофильтр, 10 - экран, ¡1 - микрометрический треножник, 12 - эбонитовая кювета диаметром 65 мм, 13 - стеклянная крышка с отверстием, 14 - слой жидкости, 15 - калиброванная проволочка, 16 - видеокамера (25 кадров/с), 17- видеомагнитофон, 18- компьютер.

Эволюция ТК отклика слоя жидкости на поглошаюшей подложке. Эксперименты проводили при Т=21±1 °С следующим образом. В кювету 12 микропипеткой заливали жидкость и закрывали ее стеклянной крышкой 13 с центральным отверстием диаметром 10 мм. Отверстие обеспечивает доступ к слою для изменения его толщины, не влияя на условия в объеме газовой фазы кюветы, и исключает многократное отражение света от двух поверхностей стекла и поверхности жидкости. Выставив слой, включали видеомагнитофон 17 на запись, открывали затвор 3, и записывали динамику развития отклика. По кадрам из оцифрованного видеопотока определяли диаметр отклика О.

й, мм

Рис. 3. Эволюция ТК отклика слоя буганола (Л = 810 мкм, Р = 20.9 мВт). На снимках изображен индуцирующий • (слева) и пробный о (справа) пучок, (а) отклики, (&) начало деформации, I = т</, (с) фокусировка пробного пучка, (с!) начало перефокусировки, (е) всплеск.

Между измерениями выдерживали паузу, чтобы система подложка/слой вернулась в исходное состояние. Время воздействия пучка на подложку составляло несколько секунд, а время релаксации системы — несколько минут. Последнее определяли

по влиянию паузы между измерениями на результаты экспериментов, а в опытах брали заведомо большую паузу (4-5 минут).

После включения индуцирующего пучка картина пробного пучка в течение некоторого времени не меняется. Эту паузу назовем временем задержки ТК отклика тй, а отраженный от плоского зеркала жидкости пучок (индуцирующий или пробный) на экране — просто откликом, рис. За, тогда как отраженный пучок от уже деформированной ТК конвекцией жидкой поверхности удобно называть ТК откликом, рис. 3Ь-е. Начало деформации отмечали по отклонению свободной поверхности от плоской, наблюдаемому по появлению в центре пробного пучка светлого пятна, рис. 3Ь, диаметр которого в момент фокусировки становился минимальным, рис. Зс. Далее, с увеличением глубины деформации происходит рост диаметра как индуцирующего, так и пробного пучка, рис 3д., который заканчивается всплеском перефокусировки, рис. Зе, что отражается в резком увеличении ТК отклика с последующим его уменьшением.

Задержка и всплеск ТК отклика. Первоначально конвекция* в слое отсутствует, и тепло, от нагреваемой пучком лазера подложки, кондуктивно распространяется до поверхности жидкости и вглубь подложки, рис. 4а. В момент времени т, продольный температурный градиент на поверхности УТг, достигает такого значения, что появляется регистрируемое центробежное ТК течение жидкости, 4Ь. В него вовлекаются нижележащие слои жидкости и в центральной области образуется углубление,

abed

Рис. 4. Три стадии развития ФТК конвекции. 1) Кондуктивное распространение теплового фронта от подложки (а) (подложка нагреваемая пучком лазера не показана) до свободной поверхности жидкости (Ь); 2) начало (Ь) и всплеск конвекции (с) связанный с переходом потенциальной тепловой энергии накопленной в слое до начала движение в кинетическую энергию конвекции; 3) стационаризация конвективно-кондуктивного потока тепла к свободной поверхности жидкости {¿).

* Явление конвекции подробно рассмотрено в работе [7]. В нашем случае, в силу специфичности граничных условий, рассматривается упрощенная модель конвекции.

оголяя более нагретые слои. Это, в свою очередь, приводит к увеличению УТ^ усилению потока и возрастанию кривизны углубления, а следовательно, и ТК отклика. Таким образом, процесс самоусиливается, выплескивая запасенную тепловую энергию слоя и подложки, рис. 4с, до тех пор, пока тороидальный вихрь не начнет подносить к поверхности более холодную периферийную жидкость. Этот момент соответствует максимуму всплеска, рис. Зе, после чего УТ^ падает, и кривизна углубления уменьшается, рис. Ы, что вызывает резкое уменьшение ТК отклика (рис. 3). После этого начинается медленный прогрев конвективного вихря и выход системы слой-подложка на стационар, что отражается в медленном увеличении ТК отклика, рис. 5.

Стационарный ТК отклик достаточно изучен [2-4] и не являлся объектом данного исследования.

Зависимость времени задержки ТК отклика от толщины слоя жидкости. Как показано выше, для развития обнаружимой ТК конвекции необходим некоторый пороговый УТа или, в первом приближении*, пороговое тепловое возмущение (АТ)тс. Так как эффект поверхностный, то в самом простом случае (ЛТ)тс не должно зависить от толщины слоя и мощности пучка. Если предполагать только кондуктивный перенос тепла от подложки к поверхности жидкости, то из общих соображений можно заключить, что определенное для каждой жидкости (АТ)тс должно возникать за время t ~ Кг/к, где Н — толщина слоя жидкости, а к: — температуропроводность.

* Оно достаточно хорошо выполняется, так как горизонтальный размер этого возмущения, порядка а, практически не меняется.

£>, мм

О 20 40 60 80 I, с

Рис. 5. Выход ТК отклика на стационар. Первые полторы секунды подробно показаны на рис. 3. Здесь 0,р - диаметр ТК отклика в момент всплеска, О,, - диаметр стационарного ТК отклика, вид которого приведен на снимке.

С другой стороны, чувствительность жидкости к сдвиговым напряжениям зависит от вязкости. Касательное напряжение -у'тУТ5 =77(Эуг/Эг), создающее наблюдаемый эффект ТК деформации поверхности жидкости, будет увеличиваться с ростом вязкости. Здесь у'т — термический коэффициент поверхностного натяжения, V — радиальное поле скоростей. Таким образом, для более вязкой жидкости требуется более высокое сдвиговое напряжение, т. е. более высокий а следовательно и большее время нагрева. Поэтому увеличение т] должно приводить к увеличению хл, в то время как увеличение к или у'т — к уменьшению та. Заметим, что к к у'т Для большинства жидкостей отличаются не более чем на десятки процентов, а т] может изменяться в десятки и сотни раз.

Как и предполагалось, с ростом толщины слоя жидкости и ее вязкости время задержки увеличивается, рис. 6. Заметим, что квадратичная зависимость ТЛ(К) наблюдается только для сред-невязких, 1] = (2 ... 6) мП с, жидкостей: изопропанол, п-бутанол и бензиловый спирт. Для них на рис. 6 непрерывной линией дана квадратичная аппроксимация. Предварительно построив калибровочные кривые та(Н) можно бесконтактно и быстро определить толщину слоя жидкости. При этом, чем меньше Н, тем быстрее измерение, и тем выше требование к быстродействию регистрирующей системы.

Чтобы определить влияние к и у'Т на тй, сравним две жидкости с близкими значениями 7] (отличие на 21 %) — изопропанол и п-бутанол. Видно, что хотя изопропанол менее вязкий, кривая ТЙ(Ь) для него проходит чуть выше бутанола. Это становится понятным, если учесть что для бутанола к и у'т на 5 и 13%, соответственно больше.

Зная к и у'т жидкости можно, также, оценить вязкость жидкости (см. порядок расположения кривых гЛ(К) для жидкостей с разной вязкостью, рис. 6). Видно, что чувствительность метода определения вязкости повышается с увеличением к. Так, при к < 1110 мкм кривые тЛ{Ь) для некоторых жидкостей сливаются, в то время как уже при Ь = 1410 мкм значения т, для жидкостей с разной вязкостью заметно отличаются. Здесь, как и в случае

определения толщины слоя, амплитуда всплеска с ростом К падает. При данной мощности пучка и вязкости жидкости, это ограничивает сверху диапазон толщин, в котором можно измерять К или т} .

Учитывая кондуктивный механизм распространения тепла от подложки к поверхности жидкости, можно утверждать, что при фиксированных значениях 1) и у'т, время задержки зависит от к. Это можно использовать для бесконтактного определения температуропроводности жидкости.

т„,с

Рис. 6. Зависимость времени задержки ТК отклика от толщины слоя для шести органических жидкостей. Здесь приведены результаты, усредненные по нескольким экспериментам. Для каждой жидкости, кроме этиленгликоля, приведена средняя относительная погрешность с доверительной вероятностью 0.80.

Фототермическая установка для исследования ФТК эффекта. Проведение экспериментов и их обработка на нашей установке (рис. 2) достаточно трудоемкий процесс. С целью ускорения и автоматизации процесса исследования ФТК эффекта была создана компьютеризованная ФТ установка, рис. 7. Представляя собой классическую ФТ установку, она совмещает в себе особенности схемы для изучения термолинзового эффекта (фокусировка пучка, наличие пинхоула) и эффекта ФТ поверхностного отклонения (отражение пучка от деформированной поверхности). Прибор позволяет автоматически получать серию ФТ сигналов. Например, программно задавая определенный уровень можно быстро измерить время задержки ТК отклика. Разрешение по времени может составлять менее 0.001 с, что существенно лучше временного разрешения стандартной видеокамеры (0.04 с).

В третьей главе обсуждаются особенности возникновения ТК конвекции в воде. Изучена зависимость ТЛ(Ь.) для воды, очищенной разными способами, а также зависимость Т,(Р) для очищенной от органики воды. На примере гексадеканола показана огромная чувствительность ФТК эффекта к микроконцентрациям ПАВ на поверхности воды, даже когда они создают поверхностное давление, необнаружимое стандартными методами. Предложено применение этого метода для контроля состояния слоев Ленгмюра, например, при создании пленок Ленгмюра-Блоджетт.

Особенности возникновения ТК конвекции в воде. Молекулы ПАВ, адсорбируясь на свободной поверхности воды, подавляют ТК течение. Это связано с тем, что под действием центробежного ТК течения молекулы ПАВ на поверхности жидкости уносятся из центра конвекции, освобождая место более чистой жидкости с большим ПН. Это, в свою очередь, создает концентрационно-ка-

. лазер Узел

\ ^Л^Фотодиод управления

'Ж ш/ Пинхоул лазером и АЦП фотодиода

шш,

| Компьютер |

Образец Подложка

Рис 7 Принципиальная схема ФТ установки дм исследования ФТК эффекта

пилярные (КК) силы противоположного знака (эффект Гиббса-Ма-рангони), препятствующие дальнейшему движению жидкости Так как градиент ПН, вызванный градиентом поверхностной концентра, дСА

ции — даже ПРИ малых концентрациях ПАВ велик по

сравнению с градиентом ПН, возникающим вследствие нагрева —

/ эсА

то система вода/ПАВ является очень устойчивой по отношению к ТК возмущению. С этим связано крайне малое количество публикаций по изучению ТК конвекции в воде; из них только две посвящены ФТК эффекту [8, 9]. В обеих работах содержатся явные ошибки, связанные, по нашему мнению, с использованием красителей, необходимых для поглощения излучения, которые, судя по всему, обладали поверхностно-активными свойствами

Эффект задержки ТК отклика в различных пробах воды. Для исследований необходимо было использовать наиболее очищенную от органики воду, а для практики было интересно сравнить результаты для воды, очищенной разными способами.

Исследовали следующие четыре пробы воды, рис. 8: (1) для внутривенных инъекций ОАО «Новосибхимфарм» и (2) МПО «Панацея» (Тюмень). Воду для инъекций выбрали потому, что она имеет большое практическое применение в фармакологии и должна удовлетворять высоким требованиям чистоты*; (3) Дистиллированная вода, полученная с помощью промышленного дистиллятора; (4) Специально очищенная от органики вода**.

Ясно, что чем чище вода, тем быстрее возникает в ней ТК течение, и соответственно кривая тл(К) должна лежать ниже. О степени чистоты должна говорить лучшая воспроизводимость, а следовательно меньшая относительная погрешность. По этим критериям, самой чистой, оказалась вода, специально очищенная от органики (е = 3.9 %), рис. 8, и только ее кривая та(Ь) хорошо аппроксимируется квадратичной функцией. Кривая для

* Должна соответствовать ФС 42-2620-97 по химической чистоте и стерильности.

** Для окисления оставшихся в бидистиллированной воде органических примесей использовали перманганат калия и концентрированную серную кислоту.

дистиллированной воды, начиная с 1410 мкм, идет выше и ее воспроизводимость хуже, е = 6.5 %. Вода для инъекций «Ново-сибхимфарма» дает более высокую кривую (в = 7.2 %). Намного выше всех остальных идет кривая Т,(Н) для воды от МПО «Панацея», к тому же для нее получена самая плохая воспроизводимость, е = 17.8 %. Два последних случая говорят о низком качестве очистки воды. Вероятно, это связанно с тем, что в медицинских целях главным критерием очистки воды для внутривенного введения является не ее химическая чистота, а стерильность и отсутствие токсических веществ.

Та С 18 1-

300 600 900 1200 1500 1800 2100

Рис в Зависимость времени задержки ТК отклика различны проб воды от толщины слоя. Сплошными маркерами обозначены средние значения по трем точкам. Для каждой пробы приведена средняя относительная погрешность с доверительной вероятностью 0,80.

Приведенные здесь результаты показывают, что ФТ метод, основанный на эффекте задержки ТК отклика, является очень чувствительным инструментом для экспресс анализа содержания в воде органических примесей и/или для определения степени ее очистки.

Влияние ПАВ на эффект задержки ТК отклика. В качестве ПАВ был выбран гексадеканол (С16НмО) обладающий ярко выраженными амфифильными свойствами, т.е. практически все его молекулы размещаются на межфазной границе вода-воздух в виде мономолекулярного слоя. Такие монослои получили название пленки Ленгмюра. Интерес к ним значительно возрос в связи с внедрением создаваемых на их основе пленок Ленгмюра-Блод-жетт в производство электрических, оптических и биологически-активных компонентов нанометрового масштаба.

Для нанесения гексадеканола на поверхность воды использовали хлороформ. С одной стороны, он хорошо растворял гексадеканол, а с другой, вследствие КК сил, растекался по поверхности воды и, благодаря высокой летучести, быстро испарялся, оставляя молекулы растворенного в нем гексадеканола. Чтобы исключить влияние растворителя на результаты измерений, сначала провели тестовый эксперимент с чистым хлороформом, который показал, что он не влияет на ФТК эффект.

В опытах использовали 3.5 мМ раствор гексадеканола в хлороформе, который наносили микрошприцом порциями с шагом по 1 или 0.1 мкл на слой воды толщиной 1110 мкм. При добавлении даже 1 мкл раствора происходит незначительное, но четко регистрируемое увеличение хл. Это количество соответствует поверхностной концентрации СА = 1.05 мкМ/м2. При приближении к 8 мкл время задержки резко возрастает, и полное подавление наступает при 8.0 мкл, с точностью ±0.05 мкл. В то же время в работе [9], в которой ФТК эффект исследовался в воде, подкрашенной органическим красителем (кристаллический фиолетовый), с помощью стандартной термолинзовой установки, полное подавление ТК конвекции происходит уже при 3 мкл, т.е. при концентрации в 2.7 раз меньшей, чем у нас.

Чтобы определить какой метод точнее, мы сравнили наши результаты с данными приведенными в классической работе [10], подтвержденными в работе [11]. Там приведена изотерма монослоя гексадеканола, так называемая п-о— кривая. Поверхностное давление растворов ПАВ в воде определяется как ТС = уи -у, где у — поверхностное натяжение раствора, а у0 — воды. Его измеряют непосредственно с помощью весов Ленгмюра, но чаще всего — методом пластинки Вильгельми. Чтобы сопоставить эти

данные с нашими, мы пересчитали значения объема добавляемого раствора гексадеканола в площадь, занимаемую одной его молекулой

А, (А2)

cr(Á2) =

ЛГдС(моль/дм3 )У(дм3)

где Ал — площадь кюветы равная 33.18Х1016 А2, ЛГД — постоянная Авогадро, С — молярная концентрация гексадеканола в хлороформе, V — объем добавляемого раствора. На рис. 9 представлены результаты этого сравнения. Для сопоставления кривых нулевому значению поверхностного давления приравняли время задержки в чистой воде. Таким образом, все значения выше оси абсцисс для тл являются полезным сигналом, определяющим влияние монослоя на развитие ТК отклика. Видна хорошая корреляция значений к и т,, из которой можно сделать вывод, что механизм подавления ТК конвекции, в наших экспериментах, является концентрационно-капиллярным.

к, мН/м с

40

35 30 25 20 ■ 15 " 10 ■ 5 -

0

д - я - <т - кривая для монослоя гексадеканола при 20 °С (по данным из работы [10]).

• - экспериментальная зависимость %¿(о) для гексадеканола при 21±1 °С.

----штриховой линией показано значение в,

при котором происходит полное подавление ТК конвекции.

t Ü

V

г~

и

подавления ТК конвекции в работе [9]

Там где стандартные методы уже не могут определить поверхностное давление двухмерного газа, мы еще регистрируем полезный сигнал, что доказывает большую чувствительность нашего метода. _.Л._

Л

■ 80 70 60 • 50 40 - 30 20 10

0

20

40

120

140

160

60 80 100 сг, Л2/молекула

Рис. 9. Сравнение зависимости поверхностного давления и времени задержки ТК отклика от площади приходящейся на одну молекулу гексадеканола.

Именно в области резкого роста поверхностного давления время задержки резко увеличивается, так как ПН освобождаемого ТК течением участка намного меньше ПН его окружения и требуется больший перепад температуры чтобы его компенсировать, а следовательно, возрастает и время необходимое нагрева. Значение, при котором л максимально, соответствует плотной упаковке монослоя, так называемому твердому состоянию. Как видно из рис. 9 практически при этом же значении сг наблюдается полное подавление ТК конвекции. Это объясняется тем, что при любом перепаде температур ТК течение не способно сжать твердый монослой. С другой стороны, значение а, при котором в [9] наступает полное подавление ТК конвекции (на рис. 9 отмечено стрелкой), находится в области не регистрируемых поверхностных давлений, которые не могут вызвать необходимого для противостояния ТК течению градиента ПН. Скорее всего, Гуглиотти и др. в [9] не учли влияния кристаллического фиолетового, растворенного в воде, который они использовали в качестве поглощающего излучение лазера вещества, в то время как мы работали с чистой водой, что, несомненно, является преимуществом нашего метода.

Важно отметить, что изменения т, можно обнаружить уже при а = 158 А2, тогда как в [10] последнее значение а при котором еще можно измерить п равно 22.6, т. е. мы можем определить влияние почти в 7 раз более разреженного двухмерного газа, чем тот который создает поверхностное давление различимое с помощью прецизионных приборов. Это говорит о высокой чувствительности метода основанного на регистрации задержки ТК отклика, и на его хорошую перспективу использования для изучения пленок Ленгмюра и создания пленок Ленгмюра-Блоджетт.

Автоколебания ТК отклика слоя воды. Они обнаружены в слое (к — 0.6...1.2 мм) воды, содержащей растворимые органические примеси, например этанол, рис. 10. Этот эффект возникает, вероятнее всего, вследствие попеременного совместного действия ТК и КК сил, когда их значения сравнимы. Замечено, что амплитуда автоколебаний уменьшается с уменьшением концентрации этанола из-за его испарения. После полного испарения этанола наблюдался обычный стационарный ТК отклик, примерно среднего, между максимумом и минимум, диаметра. Это под-

тверждает КК механизм автоколебаний, так как в отсутствии органических примесей КК силы исчезают.

0/ота, от. ед. ___ _

®

О 0.5 1 1.5

Рис. 10 Автоколебания ТК отклика ело* воды, по-видимому, вызванные противостоянием двух противоположных сил- ТК и КК Наблюдаются только в загрязненной органическими примесями воде. На снимках приведены кадры одного полного периода колебания.

В четвертой главе приведены результаты расчетов теплового возмущения запускающего обнаружимую ФТК конвекцию. Необходимые для расчетов значения параметров системы пучок/ слой/подложка измерены экспериментально.

Экспериментально измерены параметры системы пучок/слой/ подложка:

1) Мощность и профиль интенсивности лазерного пучка, который хорошо описывается гауссовым распределением с радиусом равным 1.20 ±0.05 мм.

2) Коэффициент поглощения исследованных жидкостей был меньше 9x10"3 см"1. Таким образом, слой к—2 мм поглощает менее 0.2 % мощности пучка. Такими потерями вполне можно пренебречь.

3) От подложки отражается 1.7 ±0.3 % мощности пучка, а коэффициент поглощения эбонита равен 681 ±27 см"1, т. е. глубина проникновения излучения, по уровню в"1, равна 15 мкм. Так как эта величина в 22 раза меньше минимальной толщины исследуемого слоя, то можно считать, что практически вся энергия излучения поглощается в плоскости дна кюветы.

Проверен метод калиброванных проволочек, и показано что ошибка при изменении толщины вследствие добавления или забора жидкости из кюветы менее 10 мкм, в диапазоне (200 < Н < 2000) мкм.

Теоретически и экспериментально показано, что в слоях Ь < 3 мм термогравитационным механизмом передачи тепла от локально нагреваемой подложки до поверхности жидкости можно пренебречь.

Ввиду того, что экспериментально измерить тепловое возмущение, (АТ)тс, приводящее к возникновению обнаружимой ТК деформации поверхности жидкости крайне сложно, поэтому его вычисляли теоретически.

Расчет локального теплового возмущения запускающего термокапиллярную конвекцию, на основании экспериментальных данных, производили в приближении неподвижного теплоизолированного сверху слоя жидкости, на полубесконечной подложке, поглощающей в тонком приповерхностном слое. Примем, что физические свойства жидкости и подложки — теплопроводность к и кг, температуропроводность кик плотность р и р8 — не зависят от температуры. В этом случае тепловое возмущение в цилиндрической системе координат равно [12]

Р^К^ Г 1

Г г2 Г (г + 2пи)г

Х СХР| 4 к(г - т + г0) 12/хр I 4кг(/ - г)

Лг, (1)

где для удобства введен параметр времени = о2/4к-.

Для определения (ДТ)ТС по формуле (1) вычисляли значения ДТ на поверхности жидкости в момент времени ( = т. Чтобы определить влияние мощности пучка и толщины слоя на (АТ)тс рассчитывали ДТ для одного значения Р или К соответственно и решали обратную задачу, подставив это значение ДТ в (1). Из получаемой зависимости т^ (^)|дг ,, рис. 11, видно, что теоретическая зависимость достаточно хорошо, кроме случая Н = 2010 мкм, аппроксимирует экспериментальные значения. Таким образом, как и следовало ожидать, практически не зависит от мощности пучка.

Важно было также узнать, зависит ли (ЛТ)ТС от толщины слоя, и какое принимает значение для разных жидкостей. По-

Тле

^ этому, как и в предыдущем случае, по (1) строили зависимость

•^(/г2) . Она практически совпадает с квадратичной зависимостью тл ~ К2, поэтому нагляднее всего по оси абсцисс отложить не к, а к2, рис. 12. Как и предполагалось, в случае средне-вязких жидкостей (г; — (2 ... 6) мП с, т. е. изопропанол, п-бутанол, бензиловый спирт), для которых зависимость тл(к) квадратична, значение (АТ)тс практически не зависит от температуры. Расхождение заметно лишь для толщины слоя 2010 мкм (крайне правые точки на графике).

Для жидкостей с зависимостью тл(к), не аппроксимируемой квадратичной (п-октан, этиленгликоль) приведена теоретическая прямая с (ДТ) соответствующим (ДТ)тс при к = 1410 мкм (точки пересечения экспериментальных данных с теоретической кривой). Очевидно, что значения лежащие выше или ниже теоретических кривых получаются при большем или меньшем (ДТ)ГС, соответственно. Таким образом, для слоев более 1410 мкм в эти-V ленгликоле (ДТ)ГС> 0.165 'К, а в октане (ДТ)тс< 0.011 °К. Из гра-

фика видно, что как и следовало ожидать, с увеличением вязкости растет температурное возмущение необходимое для того 1 чтобы запустить обнаружимую ТК конвекцию.

6

5 4

3

2 1 О

0 12 3 4

Рис. 12. Зависимость времени задержки ТК отклика от квадрата толщины слоя и теоретические 2 |

кривые т. (й ) для тепловых возмущений, приведенных на вставках.

1дг*сопя

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Обнаружен и подробно исследован эффект задержки термокапиллярного отклика слоя жидкостей, прозрачных для индуцирующего излучения, на поглощающей подложке.

2) Установлено, что задержка связана с конечностью скорости нарастания теплового возмущения, приходящего от нагреваемой подложки, необходимого для того, чтобы вызвать обнару-жимое ТК течение и последующую деформацию поверхности жидкости. Время задержки ТК отклика т,, для различных жидкостей зависит от мощности пучка Р и толщины слоя Н. При этом для средневязких жидкостей, т] = (2 ... 6) мП с, т, ~ к2. Показано,

тлс

что при равенстве остальных параметров, с ростом вязкости тй увеличивается.

3) Продемонстрировано, что при фиксированных параметрах системы и наличии калибровочной зависимости можно бесконтактно, неинвазивно и быстро определять толщину слоя жидкости, ее вязкость и температуропроводность.

4) Обнаружено, что для каждой жидкости, начиная с определенной толщины слоя и мощности пучка (напр., для бутанола при Н > 500 мкм и Р ~ 20 мВт) после задержки ТК отклика происходит всплеск его диаметра, т.е. резкое увеличение с последующим уменьшением. При этом, чем больше толщина слоя, тем меньше диаметр ТК отклика при всплеске. Причина всплеска состоит в накоплении тепловой энергии в слое и подложке до начала ТК конвекции. Эта энергия в начале конвективного движения приводит к увеличению кинетической энергии ТК вихря. Затем, за счет подсоса снизу, холодная периферийная жидкость охлаждает ТК вихрь, и, следовательно, уменьшает градиент температуры на поверхности жидкости, что приводит к уменьшению интенсивности ТК конвекции. Далее следует медленный прогрев конвективного вихря и связанный с этим выход ТК отклика на стационарное значение.

5) На основании результатов исследований четырех проб воды, очищенной разными способами, установлено, что самая нижняя, воспроизводимая и хорошо аппроксимируемая квадратичной зависимостью кривая тл(Ь) получается для воды, специально очищенной от органических примесей. Увеличение та в загрязненной воде объяснено действием сил Гиббса-Марангони, проявляющихся в кон-центрационно-капиллярном подавлении ТК течения, что ведет к увеличению времени, необходимого для достижения температурного возмущения, выравнивающего силы вызванные градиентом

дт ас

температуры Т и поверхностной концентрации СА, у'т— = Ус—^-

дг Эг

6) На примере гексадеканола показана сильная зависимость времени задержки ТК отклика от концентрации поверхностно-активных примесей на поверхности воды. Влияние ПАВ обнаружимо уже при СА — 1,05 мкМ/м2. Момент полного подавления ТК конвекции точно соответствует поверхностной концентрации гексадеканола, при которой образуется его твердый монослой. Таким образом, предлагаемый метод может быть с успехом применен как очень чувстви-

тельный инструмент для экспресс анализа содержания в воде органических примесей и/или для определения степени ее очистки, а также как бесконтактная альтернатива весам Ленгмюра и пластинке Вильгельми в установке для изучения разреженных пленок Ленгмюра или для получения пленок Ленгмюра-Блоджетт.

7) Обнаружено новое капиллярное явление — автоколебания ТК отклика, которые возникают вследствие попеременного совместного действия ТК и КК сил, когда их значения сравнимы.

8) Совместно с Чаппаровым P. X. и Чаппаровым Ф. X. разработана и создана компьютеризированная фототермическая установка для исследования ФТК эффекта и, в частности, эффектов задержки и всплеска ТК отклика.

9) На основе расчетов Зуевой А. Ю. [12] и собственных экспериментальных данных, оценено тепловое возмущение на поверхности жидкости, запускающее обнаружимое ТК течение (ДТ)гс, и показано что, при прочих равных условиях, оно тем больше чем выше вязкость жидкости, от 0.01 °К для октана (Т] = 0.546 мП с) до 0.17°К для этиленглгасоля (т] = 19.9 мП с). Доказано, что для жидкостей с довольно широким диапазоном вязкости, г\ = (0.5 ... 6) мП с, (АТ)ГС не зависит от мощности пучка, а для средневязких, Т] — (2 ... 6) мП с, жидкостей, не зависит также и от толщины слоя.

Результаты работы могут быть использованы для создания автоматизированных установок физико-химического анализа для фармацевтической, химической и пищевой промышленности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чемоданов С. И. Эволюция термокапиллярного отклика тонкого слоя прозрачной жидкости на поглощающей подложке / Б. А. Безутлый, С. И. Чемоданов // Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника: Сборник статей. - Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2002. - Вып. 1. - С. 47-52.

2. Экспериментальное и теоретическое исследование фотоиндуци-рованной капиллярной конвекции. Отчет по губернаторскому гранту поддержки студенческих научных работ; Руководитель Б. А. Безуглый -Тюмень, 2002 / Б. А. Безуглый, О. А. Тарасов, Ф. X. Чаппаров, С. И. Чемоданов, А. С. Шарапов, А. Ю. Зуева.

3. Chemodanov S. I. New method for diagnostics of organic impurities in water / B. A. Bezuglyi, S. I. Chemodanov, O. A Tarasov // 16-я Европейская конференция по химии межфазных поверхностей: Тезисы докладов. - Издательство УНЦ ДО. - Москва, 2003 - С. 53.

4. Chemodanov S. I. New method for measurements of thermodiffusivity of liquids/ S. I.Chemodanov// Abstracts. Student Participation Programme to the 54th International Astronautical Fédération Congress. 29tb September

- 3rd October 2003, Bremen, Germany. - ESA Education Office, 2003. - P. 23. (URL: http://www.estec.esa.nl/outreach/iaf).

5. Чемоданов С. И. Новый метод измерения температуропроводности жидкостей / Н. А. Горбачева, А. Ю. Зуева, С. И Чемоданов // Федеральная итоговая научно-техническая конференция творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам: Тезисы докладов. Звенигород, 15-20 декабря 2003. - М.: Изд-во МИЭМ, 2003. -С. 55-56.

6. Chemodanov S. I New approach to diagnostics of organic impurities in water / B. A. Bezuglyi, S. I. Chemodanov, O. A. Tarasov // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. - 2004. - V. 239. - P. 11-17.

7. Чемоданов С. И. Расчет теплового возмущения, вызывающего термокапиллярную деформацию, при лазерном нагреве слоя прозрачной жидкости на поглощающей подложке / А Ю. Зуева, С. И. Чемоданов, Б. А. Безуг-лый, О. А. Тарасов // Первая Всероссийская конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». Сборник трудов. - Томск- Изд-во Томского политехи, ун-та, 2004. - С. 127-129.

8. Чемоданов С. И. Комплекс изобретений, направленных на повышение точности измерения и автоматизацию в области лазерной диагностики жидкостей / Б. А. Безуглый, Н. А. Иванова, О. А. Тарасов, А. А. Федо-рец, Ф. X. Чаппаров, С. И. Чемоданов // Лучшие технические решения, представленные на областные конкурсы. Сборник материалов. - Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2004. - С. 95-98.

9. Чемоданов С. И. Эффект задержки термокапиллярного отклика слоя прозрачной жидкости при лазерном нагреве поглощающей подложки / Б. А. Безуглый, С. И. Чемоданов // Журнал технической физики. - 2005.

- Т. 75. - Вып. 9. - С. 136-138.

10. Патент РФ № 2247966. Способ измерения концентрации поверхностно-активного вещества. Безуглый Б. А., Тарасов О. А., Чемоданов С. И.

- Бюл. № 7 // Изобретения. - 2005.

11. Чемоданов С. И. Эффект задержки термокапиллярного отклика: новый инструмент лазерной диагностики жидкостей / Б. А. Безуглый, С. И Чемоданов, А. Ю. Зуева // Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения. Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых. Тезисы докладов. Бийск, 4-8 июля 2005. - Новосибирск: Изд-во ИГиЛ СО РАН, 2005. - С. 19.

12. Чемоданов С. И. Теоретический расчет времени задержки термокапиллярного отклика / Б. А. Безуглый, А. Ю. Зуева, С. И. Чемоданов / / Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложе-

ния. Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых. Тезисы докладов. Бийск, 4-8 июля 2005. - Новосибирск: Изд-во ИГиЛ СО РАН, 2005. - С. 17.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Terazima М. Quantities, terminology, and symbols in photothermal and related spectroscopies (IUPAC Recommendations 2004) / M. Terazima, N. Hirota, S. E. Braslavsky et aL // Pure AppL Chem. - 2004. - V. 76. - № 6. - P. 1083-1118.

2. Безутлый Б. А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света и ее применение в способах регистрации информации: Дисс ... к. физ.-мат. н. / Б. А. Безуглый. - М., 1983. - 270с.

3. Федорец А. А. Фотоиндуцированный термокапиллярный эффект и его применение для измерения свойств жидкостей: Дисс... к. физ.-мат. н. / А. А Федорец. - Тюмень, 2002. - 146 с.

4. Тарасов О. А. Бесконтактная диагностика жидкостей и их слоев на основе термокапиллярного эффекта, индуцированного пучком лазера: Дисс.... к. физ.-мат. н. / О. А. Тарасов - Тюмень, 2004. - 197 с.

5. Тарасов О. А. Оценка возможности использования лазерно-индуциро-ванного термокапиллярного эффекта для фототермической спектроскопии / О. А Тарасов // Оптика и спектроскопия. - 2005. - Т. 99. - № 6. - С. 1004-1011.

6. Безуглый Б. А. О фотоконденсации йода / Б. А. Безуглый, Е. А. Гала-шин, Г. Я. Дудкин // Письма в ЖЭТФ. - 1975. - Т. 22. - № 2. - С. 76-79.

7. Ландау Л. Д. Гидродинамика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - М.: Наука, 1988. - 736 с.

8. Helmers Н. Holographic study of laser-induced liquid surface deformations / H. Helmers, W. Witte // Optics communications. - 1984. - V. 49. - № 1. - P. 21-23.

9. Gugliotti M. Laser-induced Marangoni convection in the presence of surfactant monolayers / M. Gugliotti, M.S. Baptista and M.J. Politi // Langmuir. - 2002. - V. 18. - №. 25. - P. 9792-9798.

10. Адамсон А. Физическая химия поверхности / А. Адамсон; Пер. с англ. И. Г. Абидора. - М.: Мир, 1979. - 568с.

11. Park S. Y. Dyn amic Surface Tension Behavior of Hexadecanol Spread and Adsorbed Monolayers / S. Y. Park, С. H. Chang, D. J. Ahn, E. I. Franses // Langmuir. - 1993. - V. 9. - P. 3640-3648.

12. Зуева А. Ю. Моделирование начальной стадии ФТК конвекциии / А. Ю. Зуева // Проблемы теоретической и прикладной математики. Труды 36-й Региональной молодежной конференции. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - С. 136-140.

Подписано в печать 26.02.2006. Тираж 100 экз. Объем 1,0 уч.-изд. л. Формат 60x84/16. Заказ 101.

Издательство Тюменского государственного университета 625000, г. Тюмень, ул. Семакова, 10 Тел./факс (3452) 46-27-32 E-mail: izdatelstvo@utmn.ru

•-485 ;

*

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ФОТОТЕРМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1 Основные фототермические эффекты и классификация основанных на них методов лазерной диагностики.

1.2. Методы, используемые фототермической спектроскопии.

1.3. Фототермическая калориметрия: контактная и радиометрия.

1.4. Фотоакустический эффект.

1.5. Фототермическая рефракция: термолинза, фототермическая дефлекция и мираж-эффект.

1.6. Фототермическая дифракция.

1.7. Фототермическая интерференция.

1.8. Фототермическое поверхностное отклонение.

1.9. Фототермокапиллярный эффект.

Вывод.

Глава II. ЭВОЛЮЦИЯ ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОГО ОТКЛИКА ТОНКОГО СЛОЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ.

2.1. Экспериментальная установка и методика эксперимента.

2.2. Эволюция ТК отклика слоя жидкости на поглощающей подложке.

2.3. Стационарный ТК отклик.

2.4. Влияние паузы между экспериментами на время задержки.

2.5. Зависимость времени задержки ТК отклика от толщины слоя жидкости

2.6. Зависимость времени задержки ТК отклика от мощности пучка.

2.7. Термокапиллярный отклик слоя 1,4-диоксана.

2.8. Фототермическая установка для исследования ФТК эффекта.

Выводы.

Глава III. ЭВОЛЮЦИЯ ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОГО ОТКЛИКА ТОНКОГО СЛОЯ ВОДЫ.

3.1. Вода - аномальная жидкость.

3.2. Особенности возникновения ТК конвекции в воде.

3.3. Эффект задержки ТК отклика в различных пробах воды.

3.4. Эволюция ТК отклика слоя воды.

3.5. Зависимость времени задержки ТК отклика от мощности пучка.

3.6. Влияние ПАВ на эффект задержки ТК отклика.

3.7. Автоколебания ТК отклика слоя воды.

Выводы.

Глава IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗМУЩЕНИЯ ЗАПУСКАЮЩЕГО ТЕРМОКАПИЛЛЯРНУЮ КОНВЕКЦИЮ.

4.1. Коэффициент поглощения исследованных жидкостей.

4.2. Измерение коэффициентов поглощения и отражения эбонита.

4.3. Радиус лазерного пучка.

4.4. Проверка метода калиброванных проволочек.

4.5. Учет сил плавучести.

4.6. Постановка задачи.

4.7. Четыре модели распространения тепла в среде.

4.8. Результат расчета теплового возмущения.

Выводы.

Актуальность темы. Большое разнообразие фототермических (ФТ) методов физико-химического анализа веществ [1-27] связано с возрастающими потребностями химической, медицинской, пищевой и т.п. промышленности, где требуются точные и чувствительные методы анализа. Увеличивающееся число фототермических эффектов, на основе которых разрабатываются новые методы, привело к тому, что в 2004 г. Международный союз по теоретической и прикладной химии (IUPAC) подготовил рекомендации по терминологии, символам и т.п. в ФТ спектроскопии и связанных с ней областях [2]. В связи с тем, что традиционной областью применения ФТ методов является спектроскопия, фототермокапиллярный (ФТК) эффект [28], используемый для измерения свойств жидкостей [29-34] и их слоев [35-40], долгое время рассматривался отдельно, и не вошел в существующие классификации [1-3]. Однако, изменение поверхностного натяжения под действием фотоиндуцированного нагрева, и возникающая в результате этого термокапиллярная (ТК) конвекция, является, несомненно, ФТ эффектом, место которого показано в нашей классификации [40]. К тому же, недавно сделана оценка возможности применения ФТК эффекта в спектроскопии и показано, что он «идеально подходит для спектроскопии сильно поглощающих твердых поверхностей и жидких слоев» [41].

Несмотря на то, что за последние тридцать лет, с момента открытия ФТК конвекции [42], появилось множество публикаций по этому вопросу [28-91], ее эволюция в прозрачных жидкостях на поглощающей подложке практически не исследована. Кроме того, нам не удалось обнаружить ни одной публикации посвященной ФТК конвекции в слое чистой воды. Именно в воде, в конце 2001 г., автор обнаружил два новых эффекта - задержку и всплеск ФТК конвекции [51]. Детальное исследование этих стадий эволюции ФТК конвекции и возможность применения его результатов для лазерной диагностики жидкостей (ЛДЖ) делает данную работу перспективной.

В связи с этим была поставлена задача — подробно исследовать эволюцию термокапиллярного отклика, несущего в себе информацию о ФТК конвекции, особенно начальные ее стадии: задержку и всплеск, а также применить результаты этих исследований для создания методов ФТ диагностики жидкостей.

Излагаемый в работе материал разбит на четыре главы.

В первой главе дан подробный обзор всех известных и используемых в ЛДЖ фототермических методов. Предложена непротиворечивая и ясная классификация этих методов и ФТ эффектов, на которых они основаны. Четко показана общность и место ФТК эффекта и методов, основанных на нем, как перспективного ФТ инструмента для ЛДЖ.

Во второй главе подробно описана экспериментальная двухлучевая установка и методика эксперимента. Представлены результаты исследования эволюции ТК отклика в слоях органических веществ. Объяснены эффекты задержки и всплеска ТК отклика. Показана зависимость времени задержки ТК отклика от толщины слоя жидкости и мощности пучка лазера. Приведено описание компьютеризованной ФТ установки для исследования ФТК эффекта и рассмотрены характерные сигналы, получаемые с ее помощью.

В третьей главе обсуждаются особенности возникновения ТК конвекции в воде. Исследована зависимость времени задержки ТК отклика для различных проб воды, а также ее зависимость от мощности индуцирующего пучка лазера. На примере гексадеканола показана огромная чувствительность ФТК эффекта к микроконцентрациям ПАВ на поверхности воды, даже когда они создают поверхностное давление, необнаружимое стандартными методами. Предложено применение этого метода для контроля слоев Ленгмюра, например, при создании пленок Ленгмюра-Блоджетт.

В четвертой главе приведены результаты расчетов теплового возмущения, запускающего обнаружимую ФТК конвекцию. Необходимые для расчетов значения параметров системы пучок/слой/подложка измерены экспериментально.

Научная новизна:

1) Обнаружен и подробно исследован эффект задержки ТК отклика в зависимости от толщины слоя и мощности пучка для нескольких органических жидкостей и воды.

2) Кроме этого, обнаружено и дано объяснение еще двум капиллярным явлениям: всплеску и автоколебанию ТК отклика.

3) Впервые исследован ФТК эффект в воде. Показана зависимость эффекта задержки ТК отклика от наличия микропримесей в воде. Продемонстрирована возможность определения поверхностного давления ПАВ на поверхности воды вплоть до концентраций соответствующих идеальному двухмерному газу.

Практическая ценность. Разработанный метод контроля загрязнения воды поверхностно-активными примесями и созданная на его основе установка могут быть использованы в фармацевтической, химической, пищевой и других отраслях промышленности для контроля в реальном времени концентрации органических веществ в воде [52, 58, 60]. Этот метод можно также применять вместо весов Вильгельми в установке для изучения пленок Ленгмюра и получения пленок Ленгмюра-Блоджетт как более тонкий неинвазивный инструмент. К тому же, измерение времени задержки или параметров всплеска позволяют бесконтактно измерять такие величины как толщину слоя жидкости, ее вязкость и температуропроводность [51, 53-57, 59]. Разработана компьютеризованная ФТ установка для исследования ФТК эффекта, в частности эффекта задержки ТК отклика, которую можно использовать в научных исследованиях, промышленности, и учебном процессе.

Достоверность полученных результатов основана на тщательной разработке методик экспериментов и подтверждается их воспроизводимостью, и, в ряде случаев, независимыми данными, полученными другими способами.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментального исследования фототермокапиллярного эффекта в слое прозрачных органических жидкостей и воды, в частности эффектов задержки и всплеска ТК отклика.

- новый метод определения концентрации поверхностно-активных примесей в воде

- новые методы определения вязкости, температуропроводности жидкости и толщины ее слоя

Личный вклад автора является основным на всех этапах исследования и заключается в непосредственном выполнении всех экспериментальных и части теоретических исследований, анализе и обобщении результатов исследования, непосредственном участии в той части работ, которая выполнена в соавторстве.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований обсуждались на научных семинарах лаборатории «Жидкостные микрогравитационные технологии», на научно-методическом семинаре физического факультета и доложены на:

• 53-й студенческой научной конференции. Тюмень, апрель 2002;

• 1Х-ом межотраслевом научном и методическом семинаре «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника». Тюмень, апрель 2002 [51];

• 16-ой Европейской конференции по химии межфазных поверхностей. Владимир, май 2003 [52];

• 54th International Astronautical Federation Congress. Бремен, Германия, сентябрь-октябрь 2003 [53];

• Всероссийской Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам. Звенигород, декабрь 2003 [54];

• Первой Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». Томск, апрель 2004 [55];

• Научно-методической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики в тематике научных исследований Тюменского региона», Тюмень, февраль 2005;

• ХП-ом межотраслевом научном и методическом семинаре «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника». Тюмень, апрель 2005 [40];

• Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения». Бийск, июль 2005 [56, 57].

По теме диссертации опубликовано 12 работ [51-62], в том числе статья в международном журнале [58], статья в академическом журнале [59] и патент

РФ [60].

Эффект нагрева электромагнитным излучением -это, вероятно, одно из наиболее приятных явлений природы

X. Фанг и Р. Суоффорд [4, стр. 214]

Выводы

1. Используя измеренные параметры системы пучок/слой/подложка: мощность и радиус лазерного пучка; коэффициент поглощения исследованных жидкостей; коэффициент отражения и поглощения эбонита, а также толщина слоя жидкости, рассчитано тепловое возмущение (АТ)тс на поверхности жидкости, запускающее обнаружимое ТК течение.

2. Показано, что при прочих равных условиях, (А7)Гс тем больше чем выше вязкость жидкости, от 0.01 °К для октана до 0.17 °К для этиленгликоля.

3. Выяснено что, как и предполагалось, (А7)Гс Ддя жидкостей с довольно широким диапазонам вязкости ц = (0.5.6) мП-с, не зависит от мощности пучка, а для средневязких 77 = (2.6) мП-с жидкостей, не зависит также и от толщины слоя.

1. Bialkowski S.E. Photothermal spectroscopy methods for chemical analysis / S.E. Bialkowski // Chemical Analysis: A Series of Monographs on Analytical Chemistry and Its Applications. 1996. - V. 134.

2. Terazima M. Quantities, terminology, and symbols in photothermal and related spectroscopies (IUPAC Recommendations 2004) / M. Terazima, N. Hirota, S.E. Braslavsky et al. // Pure Appl. Chem. 2004. - V. 76. - № 6. - P. 1083-1118.

3. Жаров В.П. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия / В.П. Жаров, B.C. Летохов. М.: Наука, 1984. - 320 с.

4. Там Э. Сверхчувствительная лазерная спектроскопия / Э. Там, Р. Бердж, X. Фанг и др.; Под ред. Д. Клайджера. М.: Мир, 1986. - 520 с.

5. Скворцов Л.А. Измерение температуры поверхности тел методом лазерной фототермической радиометрии / Л.А. Скворцов, В.М. Кириллов // Квантовая электроника. 2003. - Т. 33. - № 12. - С. 1113.

6. George N.A. Photoacoustic and photothermal deflection studies on certain selected photonic materials / N.A. George. PhD Thesis. 2001.

7. George N.A. Photothermal deflection studies of GaAs epitaxial layer / N.A. George, C.P.G et al. // Appl. Opt. 2002. - V. 41. - № 24. - P. 5179-5184.

8. George N.A. Fibre optic position sensitive detection of photothermal deflection / N.A. George // Appl. Phys. B. 2003. - V. 77. - P. 77-80.

9. Lee J. Photothermal methods for measuring the thermal diffusivity of microstructured materials / J. Lee, D. Kim // Micro-Therm-UCB Joint Simposium. July 29. 2002.

10. Comeau D. Reflective thermal lensing and optical measurement of thermal diffusivity in liquids / D. Comeau, A. Hache, N. Melikechi // Applied physics letters. 2003. - V. 83. - № 2. - P. 246-248.

11. Hodgkinson J. Photothermal detection of trace compounds in water, using the deflection of a water meniscus / J. Hodgkinson, M. Johnson, J. P. Dakin // Meas. Sci. Technol.- 1998.-V. 9.-P. 1316-1323.

12. Sawada T. Ultrafast dynamics at solid/liquid interfaces as investigated by photothermal spectroscopy / T. Sawada // Pure Appl. Chem. 2001. - V. 73. -№ 10.-P. 1613-1623.

13. Olmstead M. A. Photothermal displacement spectroscopy: An optical probe for solids and surfaces / M. A. Olmstead et al. // Applied Physics A. 1983. - V. 32. -P. 141-154.

14. Haisch C. Light and sound- photoacoustic spectroscopy / C. Haisch, R. Niessner // Spectroscopy Europe. 2002. V. 5. - № 14. - P. 10-15.

15. Wetzel C. Photothermal deflection spectroscopy of InGaAs/InP quantum wells / C. Wetzel et al. // Semicond. Sci. Technol. 1990. - V. 5. - P. 702-706.

16. Chen S. Noncontact nanosecond-time-resolution temperature measurement in excimer laser heating of Ni-P disk substrates / S. Chen, C.P. Grigoropoulos // Appl. Phys. Lett. 1997. - V. 71. - № 22. - P. 3191-3193.

17. Olenka L. Crystallinity changes evidence in modified and dyed Poly(ethylene terephthalate) films monitored by photothermal method / L. Olenka et al. // Analytical sciences. 2001. - V. 17. - P.387-389.

18. Chen S. Photothermal displacement detection and transient imaging of bump growth dynamics in laser zone texturing of Ni-P disk substrates / S. Chen et al. //Journal of Applied Physics. 1999. - V. 85. - № 8. - P. 5618-5620.

19. Franko M. Thermal lens spectrometry in food analysis and environmental research / M. Franko et al. // Analytical sciences. 2001. - V. 17. - P. 515-518.

20. Spear J. D. Collinear photothermal deflection spectroscopy with light-scattering samples / J.D. Spear et al. // Appl. Opt. 1990. - V. 29. - № 28. - P.4225-4233.

21. Borca-Tasciuc T. Temperature measurement of fine wires by photothermal radiometry / T. Borca-Tasciuc, G. Chen // Rev. Sci. Instrum. 1997. - V. 68. -№ 11.-P. 4080-4083.

22. Garcia J.A. Photothermal radiometry of thermal sprayed coatings: novel roughness elimination methodology / J.A. Garcia et al. // Analytical sciences. -2001.-V. 17. P.89-92.

23. Yun S.I. Photothermal beam deflection technique for the study of solids / S.I. Yun, HJ. Seo // Chinese Journal of Physics. V. 30. - № 5. . p. 753-767.

24. Chen Y.F. Photoinduced absorption studied by photothermal deflection spectroscopy: its application to the determination of the energy of dangling-bond states in a-Si:H / Y.F. Chen et al. // Chinese J. of Phys. V. 31. - № 6. - P. 767772.

25. Photoacoustic, Photothermal and Photochemical Processes in Gases / Ed. P. Hess. — Berlin a.o.: Springer-Verlag, 1989 — 252 p.

26. Garcia J.A. Thermophysical properties of thermal sprayed coatings on carbon steel substrates by photothermal radiometry / J.A. Garcia et al. // International Journal of Thermophysics. 1999. - V. 20. - № 5. - P. 1587-1602.

27. Лукьянов А.Ю. Сравнение чувствительности термолинзового и фазового (интерференционного) методов фототермической спектроскопии / А.Ю. Лукьянов, М.А. Новиков // ЖТФ. 2000. - Т. 70. - Вып. 11. - С. 99-104.

28. Безуглый Б.А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света и ее применение в способах регистрации информации. Дисс.канд.физ.-мат. Наук/Б.А. Безуглый. -М., 1983. -270 с.

29. Авт. свидет. СССР № 1188588. Способ определения вязкости. Безуглый Б.А., Ланин С.Н., Низовцев В.В. Опубл. 30.10.85. Бюл. № 40.

30. Авт. свидет. СССР № 1242764. Способ определения вязкости. Безуглый Б.А., Ланин С.Н., Низовцев В.В. Опубл. 07.07.86. Бюл. № 25.

31. Патент РФ № 2201587. Бесконтактный способ измерения вязкости. Безуглый Б.А., Федорец А.А. Бюл. № 9. // Изобретения - 2003.

32. Патент РФ № 2247968. Экспресс-метод идентификации и контроля качества жидкостей. Федорец А.А., Безуглый Б.А. Бюл. № 7. // Изобретения - 2005.

33. Федорец А.А. Фотоиндуцированный термокапиллярный эффект и его применение для измерения свойств жидкостей: Дисс.канд. физ.-мат. наук / А.А. Федорец. Тюмень, 2002. - 146с.

34. Тарасов О.А. Бесконтактная диагностика жидкостей и их слоев на основе термокапиллярного эффекта, индуцированного пучком лазера: Дисс.канд. физ.-мат. наук / О.А. Тарасов Тюмень, 2004. - 197с.

35. Патент РФ №2149353. Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости. Безуглый Б.А., Тарасов О.А., Федорец А.А., Шепеленок С.В. Бюл. № 14 // Изобретения. 2000.

36. Патент РФ №2165071. Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости. Безуглый Б.А., Федорец А.А. Бюл. № 10 // Изобретения. 2001.

37. Безуглый Б.А. Лазерный метод измерения толщины тонкого жидкости слоя жидкости на твердой поверхности с помощью термокапиллярного отклика / Б.А. Безуглый, А.А. Федорец // Письма в журнал технической физики. -2001.-№9. -С. 20-25.

38. Патент РФ №2158898. Способ бесконтактного контроля плоскостности поверхности. Безуглый Б.А., Тарасов О.А., Федорец А.А. Бюл. № 31 // Изобретения. - 2000.

39. Патент РФ №2165073. Способ контроля горизонтальности поверхности. Безуглый Б.А., Федорец А.А. Бюл. № 10 // Изобретения. - 2001.

40. Тарасов О.А. Оценка возможности использования лазерно-индуцированного термокапиллярного эффекта для фототермическойспектроскопии / О.А. Тарасов // Физическая и квантовая оптика. 2005. - Т. 99. - № 6. - С. 1004-1011.

41. Безуглый Б.А. О фотоконденсации йода / Б.А. Безуглый, Е.А. Галашин, Г .Я. Дудкин // Письма в ЖЭТФ. 1975. - Т. 22. - № 2. - С. 76-79.

42. Безуглый Б.А. Применение термокапиллярного эффекта для усовершенствования метода наклонной пластинки измерения краевых углов смачивания / Б.А. Безуглый, О.А. Тарасов, А.А. Федорец // Вестник Тюменского госуниверситета. 2000. - № 3. - С. 64-67.

43. Безуглый Б.А. Усовершенствованный метод наклонной пластинки измерения краевого угла смачивания / Б.А. Безуглый, О.А. Тарасов, А.А. Федорец // Коллоидный журнал. 2001. - № 6. - С. 735-741.

44. Безуглый Б.А. Термокапиллярная деформация тонкого слоя жидкости вызванная пучком лазера / Б.А. Безуглый, Н.А. Иванова, А.Ю. Зуева // ПМТФ. 2001. - Т. 3. - № 42. - С. 130-134.

45. Безуглый Б.А. Оптические свойства термокапиллярного углубления / Б.А. Безуглый, О.А. Тарасов // Оптика и спектроскопия. 2002. - Т. 92. - № 4. -С. 609-613.

46. Безуглый Б.А. Применение фотоиндуцированного термокапиллярного эффекта для измерения энергетических параметров лазерного пучка / Б.А. Безуглый , А.А. Федорец // Вестник Тюменского госуниверситета. 2002. -№3.-С. 118-124.

47. Патент РФ №2163712. Способ измерения и контроля мощности лазерного излучения и устройство для его осуществления. Безуглый Б.А., Федорец А.А. Бюл. № 6 // Изобретения. - 2001.

48. Патент РФ №2178155. Способ измерения мощности лазерного пучка и энергии лазерного импульса. Безуглый Б.А., Федорец А.А. Бюл. № 1 // Изобретения. - 2002.

49. Безуглый Б.А. Фотоиндуцированные капиллярные эффекты: новые области применения / Б.А. Безуглый и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2004. - № 6. - С. 80-83.

50. Chemodanov S.I. New method for diagnostics of organic impurities in water / B.A. Bezuglyi, S.I. Chemodanov, O.A Tarasov // 16-я Европейская конференция по химии межфазных поверхностей: Тезисы докладов. -Издательство УНЦ ДО. Москва, 2003 - С. 53.

51. Chemodanov S.I. New approach to diagnostics of organic impurities in water / B.A. Bezuglyi, S.I. Chemodanov, O.A. Tarasov // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2004. - V. 239. - P. 11-17.

52. Чемоданов С.И. Эффект задержки термокапиллярного отклика слоя прозрачной жидкости при лазерном нагреве поглощающей подложки / Б.А. Безуглый, С.И. Чемоданов // Журнал технической физики. 2005. - Т. 75. -Вып. 9. - С. 136-138.

53. Патент РФ №2247966. Способ измерения концентрации поверхностно-активного вещества. Безуглый Б.А., Тарасов О.А., Чемоданов С.И. Бюл. № 7 // Изобретения. - 2005.

54. Da Costa G. Thermocapillary liquids as transient photographic receivers / G. Da Costa, J. Calatrony // Proceedings International Commission for Optics Conference (ISO-11), Madrid, Sept. 1978. - P. 779-782.

55. Da Costa G. Transient deformation of liquid surfaces by laser-induced thermocapillarity / G. Da Costa, J. Calatrony // Appl. Opt. 1979. - V. 18. -№ 2. - P. 233-235.

56. Da Costa G. Self-focusing of gaussian laser beam reflected from a thermocapillary liquid surface / G. Da Costa // Phys. Lett. 1980. - V. 80A. -№ 4. - P. 320-322.

57. Da Costa G. Thermocapillary self-focusing of a laser beam: a theoretical analysis / G. Da Costa // Phys. Lett. 1980. - V. 80A. - № 4. - P. 323-324.

58. Da Costa G. Thermocapillary surface wave induced in a liquid film by oblique incidence of a laser beam / G. Da Costa, M. Coll // Phys. Lett. A. 1992. - V. 165.-№2.-P. 153-158.

59. Da Costa G. Self-holograms of laser induced surface depression in heavy hydrocarbons / G. Da Costa, J. Calatrony // Appl. Opt. 1978. - V. 17. № 15. -P. 2381-2385.

60. Da Costa G. Real-time recording of light patterns in heavy hydrocarbons: a theoretical analysis / G. Da Costa // Appl. Opt. 1980. - V. 19. - № 20. - P. 3523-3528.

61. Calatroni J. Interferometric determination of the surface profile of a liquid heated by a laser beam / J. Calatrony, G. Da Costa // Optics commun. 1982. -V. 42.-№ l.-P. 5-9.

62. Da Costa G. Competition between capillary and gravity forces in a viscous liquid film heated by a Gaussian laser beam / G. Da Costa // J. Physique. 1982. -V. 43.-№ 10.-P. 1503-1508.

63. Da Costa G. Laser induced thermohydrodynamic effect in thin liquid membranes / G. Da Costa, F. Bentolila, E. Ruiz // Phys. Lett. 1983. - V. 95A. -№6.-P. 313-315.

64. Da Costa G. Time evolution of the caustics of a laser heated liquid film / G. Da Costa, J. Calatrony // Appl. Opt. 1990. - V. 29. - № 7. - P. 1023-1033.

65. Альварес-Суарес В.А. О термокапиллярном движении, вызванном локальным нагревом жидкости импульсом ультрафиолетового излучения / В .А. Альварес-Суарес, Ю.С. Рязанцев // МЖГ. 1986. - № 6. - С. 165-167.

66. Гладуш Г.Г. Термокапиллярная конвекция при лазерном нагреве поверхности / Г.Г. Гладуш, С.В. Дробязко, В.В. Лиханский и др. // Квантовая электроника. 1998. - Т. 25. - № 5. - С. 439-442.

67. Визнюк С.Ф. О термокапиллярном самовоздействии лазерного излучения в тонких слоях поглощающей жидкости / С.Ф. Визнюк, А.Т. Суходольский // КЭ. 1988. - Т. 15. - № 4. с. 767-770.

68. Низовцев В.В. Капиллярная конвекция в жидком слое при лазерном облучении / В.В. Низовцев // ИФЖ. 1988. - Т. 55. - № 1. - С. 85-92.

69. Визнюк С.А. Об аберрациях при ТК самовоздействии лазерного излучения / С.А. Визнюк, С.Ф. Растопов, А.Т. Суходольский // Кр. сообщ. по физике. 1989.-№5.-С. 34-37.

70. Низовцев В.В. Исследование стимулированной локальным облучением естественной конвекции в тонком слое испаряющейся жидкости / В.В. Низовцев // ПМТФ. 1989. - № 1. - С. 138-145.

71. Viznyuk S.A. On thermocapillary aberrational transformation of laser beams / S.A. Viznyuk, S.F. Rastopov, A.T. Sukhodolskii // Opt. Commun. 1989. -V.71.-№5.-P. 239-243.

72. Ajaev V.S. Thermocapillary flow and rupture in films of molten metal on a substrate / V.S. Ajaev, D.A. Willis // Phys. Fluids. 2003. - V. 15. - № 10. -P. 3144-3150.

73. Chen S.C. Melting and surface deformation in pulsed laser surface microfabrication of Ni-P disks / S.C. Chen, D.G. Cahill, C.P. Grigoropoulos // Journal of Heat Transfer. 2000. - V. 122. - P. 107-112.

74. Schwarz-Selinger T. Micron-scale modifications of Si surface morphology by pulsed-laser texturing / T. Schwarz-Selinger et al. // Physical review B. 2001. -V. 64.-P. 155323-1-7.

75. Chan C.L. Effect of surface tension gradient driven convection in a laser melt pool: 3D perturbation model / C.L. Chan, J. Mazumder, M.M. Chen // J. Appl. Phys. 1988.-V. 64.-№ 11. - P. 6166-6174.

76. Balandin V.Yu. Simulation of transformations of thin metal films heated by nanosecond laser pulses / V.Yu. Balandin, R. Niedrig, O. Bostanjoglo // J. Appl. Phys. 1995. - V. 77. - № 1. - P. 135-141.

77. Растопов С. Ф. Применение лазерно-индуцированного эффекта Марангони для записи дифракционных решеток / С. Ф. Растопов, А. Т. Суходольский //КЭ.- 1987.-Т. 14.-№8.-С. 1709-1710.

78. Longtin J.P. Laser-induced surface-tension-driven flows in liquids / J.P. Longtin, K. Hijikaia, K. Ogawa // International journal of heat and mass transfer. 1999. - V. 42. - P. 85-93.

79. Альварес-Суарес В.А. Теоретическое и экспериментальное исследование конвекции в слое жидкости при локальном нагреве / В.А. Альварес-Суарес, Ю.С. Рязанцев, В.М. Шевцова // ПМТФ. 1990. - № 2. - С. 53-57.

80. Kolomenskii А.А. Nonlinear excitation of capillary waves by the Marangoni motion induced with a modulated laser beam / A.A. Kolomenskii, H.A. Schuessler // Physical review B. 1995. - V. 52. - № 1. - P. 16-19.

81. Helmers H. Holographic study of laser-induced liquid surface deformations / H. Helmers, W. Witte // Optics communications. 1984. - V. 49. - № 1. - P. 21-23.

82. Gugliotti M. Laser-induced Marangoni convection in the presence of surfactant monolayers / M. Gugliotti, M.S. Baptista, M.J. Politi // Langmuir. 2002. -V. 18.-№25.-P. 9792-9798.

83. Bell A.G. On the Production and Reproduction of Sound by Light / A.G. Bell // Am. J. Science. 1880. - V. 20. - P 305-309.

84. Viengerov M. L. New method of gas analysis based on Tyndall-Roentgen opto-acoustic effect / M. L. Viengerov // Dokl. Akad. Nauk SSSR. 1938. - V. 19. -P. 687-688.

85. Kerr E.L. The laser illuminated absorptivity spectrophon: s method for measurement of weak absorptivity in gases at laser wavelengths / E.L. Kerr, J.G. Atwood // Appl. Opt. 1968. - V. 7. - P. 915-921.

86. Kreuzer L.B. Ultralow Gas Concentration Infrared Absorption Spectroscopy / L.B. Kreuzer//Appl. Phys. 1971. - V. 42. - P. 2934-2943.

87. Kreuzer L.B. Air pollution: sensitive detection of ten pollutant gases by carbon monoxide and carbon dioxide lasers / L.B. Kreuzer, N. D. Kenyon, C.K.N. Patel // Science. 1972. - V. 177. - № 46. - P. 347-349.

88. Parker J. G. Optical Absorption in Glass: investigation using an acoustic technique / J. G. Parker // Appl. Opt. 1973. - V. 12. - P. 2974-2977.

89. Rosencwaig A. Opto-acoustic spectroscopy and detection / A. Rosencwaig; Editor Pao Y.-H. New York: Academic Press. 1977.

90. Rosencwaig A. Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy / A. Rosencwaig; New York: John Wiley & Sons, 1980. p 94.

91. Муратиков К.Л. Фотодефлекционная и фотоакустическая микроскопия трещин и остаточных напряжений, образующихся в керамике нитрида кремния при вдавливании по Виккерсу / К.Л. Муратиков и др. //Письма в ЖТФ. 1997. - Т. 23. - № 5. - С. 44-52.

92. Gordon J.P. Long-transient effects in lasers with inserted liquid samples / J.P. Gordon et. al. //Bull. Am. Phys. Soc. 1964. - V. 9. - P. 501.

93. Dovichi N. J. Laser induced thermal lens effect for calorimetric trace analysis / N. J. Dovichi, J. M. Harris // Anal. Chem. 1979. - V. 51. - P. 728-731.

94. Pelletier M.J. Laser-indused thermal diffraction for calorimetric absorption-measurements / M.J. Pelletier, H.R. Thornsheim, J.M. Harris // Anal. Chem. -1982. V. 54. - № 2. - P. 239-242.

95. Stone J.J. Measurements of the absorption of light in. low-loss liquids / J.J. Stone // Opt. Soc. Am. 1972. - V. 62. - P. 327-333.

96. Федосов А.И. Термокапиллярное движение / А.И. Федосов // Журнал физической химии. 1956. - Т. 30. - Вып. 2. - С. 366-373.

97. Братухин Ю.К. Колебательный режим термокапиллярной конвекции от сосредоточенного источника тепла / Ю.К. Братухин, С.О. Макаров, А.И. Мизёв // Механика жидкости и газа. 2000. - № 2. - С. 92-103.

98. Мизёв А.И. Экспериментальное исследование термокапиллярной конвекции, индуцированной локальной температурной неоднародностью вблизи поверхности жидкости. 1. Твердотельный источник тепла / А.И. Мизёв // ПМТФ. 2004. - Т. 45. - № 4. - С. 36-49.

99. Пшеничников А.Ф. Деформация свободной поверхности жидкости термокапиллярным движением / А.Ф. Пшеничников, Г.А. Токменина // МЖГ. 1983. - № 3. - С. 150-153.

100. Непомнящий А.А. Термокапиллярная конвекция в двухслойной системе / А.А. Непомнящий, И.Б. Симановский //МЖГ. 1983. - № 4. - С. 158-163.

101. Саночкин Ю.В. Термокапиллярная конвекция в тонком слое наравномерно нагретой жидкости / Ю.В. Саночкин // МЖГ. 1989. - № 2. - С. 120-128.

102. Саночкин Ю.В. Термокапиллярная конвекция в тонком слое жидкости, локально нагреваемом сверху / Ю.В. Саночкин // ПМТФ. 1983. - № 6. -С. 134-137.

103. Сайдгазов Р.Д. Термокапиллярный механизм глубокого проплавления материалов лазерным излучением / Р.Д. Сайдгазов, Ю.М. Сенаторов // Квантовая электроника. 1988. - Т. 15. - № 3. - С. 622-624.

104. Гатапова Е.Я. Термокапиллярная деформация локально нагреваемой пленки жидкости, движущейся под действием газового потока / Е.Я. Гатапова, О.А. Кабов, И.В. Марчук // Письма в ЖТФ. 2004. - Т. 30. -Вып. 10.-С. 46-52.

105. Chen Y.S. Surfactant effects on the motion of droplet in thermocapillary migration / Y.S. Chen, Y.L. Lu, Y.M. Yang, J.R. Maa // Int. J.Multiphase Flow. 1997. - V. 23. - № 2. - P. 325-335.

106. Wu T.C. A study of retardation of the thermocapillary flow caused by surfactant addition / T.C. Wu, Y.M. Yang, J.R. Maa // Int. Comm. Heat Mass Transfer. -2001. V. 28. - № 3. - P. 357-367.

107. Wu T.C. Surfactant-Induced Retardation of the thermocapillary flow at a gas/liquid interface / T.C. Wu, Y.M. Yang, J.R. Maa // Int. Comm. Heat Mass Transfer. 2000. - V. 27. - № 5. - P. 655-666.

108. Гладуш Г.Г. Влияние поверхностно-активных веществ на тепло- и массоперенос при плавлении поверхности вещества лазерным импульсом / Г.Г. Гладуш, В.В. Лиханский, А.И. Лобойко // Квантовая электроника. -1997. Т. 24. - № 3. - С. 274-278.

109. Willis D.A. Transport phenomenonf and droplet formation during pulsed laser interaction with thin films / D.A. Willis, X. Xu // Journal of Heat Transfer. -2000.-V. 122.-P. 763-770.

110. Майоров B.C. Влияние поверхностно-активных веществ на гидродинамику лазерного легирования металлов / B.C. Майоров, М.П. Матросов // Квантовая электроника. 1989. - Т. 16. - № 4. - С. 806-809.

111. Azouni M.A. Experimental evidence of the effect of evaporation-condensation on thermal Marangoni flows in aqueous fatty alcohol solutions / M.A. Azouni, G. Petre // Journal of colloid and interface science. 1998. - V. 206. - P. 332333.

112. Azouni M.A. Surgace-Tension-Driven Flows in a Thin Layer of a Water-n-Heptanol Solution / M.A. Azouni, C. Normand, G. Petre // Journal of Colloid and Interface Science. 2001. - V. 239. - P. 509-516.

113. Шилов В.П. Длинноволновая конвекция Марангони при неоднородном нагреве /В.П. Шилов // ЖЭТФ. 2003. - Т. 123. - Вып. 4. - С. 816-827.

114. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях / Дж. Тернер; М.: Мир, 1977. -431 с.

115. Левин Б.Я. ИКС: АН спиртов: метанола, этанола, пропанола, бутанола и т.д. (чистые и растворы в СС14) / Б.Я. Левин // ЖФХ. 1954. - Т. 28. -С. 1399.

116. Kretsehmer С.В. PVT: АН, alcohol / С.В. Kretsehmer, R. Wiebe // J. Am. Chem. Soc. 1954. - V. 76. - P. 2579.

117. Пиментел Дж. Водородная связь / Дж. Пиментел, О. Мак-Клеллан; Пер. с англ. М.О. Буланин и др. М.: Мир,. 1964. 462 с.

118. Терентьев В.А. Термодинамика водородной связи / В.А. Терентьев; Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1973. 247 с.

119. Наберухин Ю.И. Загадки воды / Ю.И. Наберухин // Соросовский образовательный журнал. 1996. - № 5. - С. 41-48.

120. Frumkin A. On surfactants and interfacial motion / A. Frumkin, V.G. Levich // Zh. Fiz. Khim. 1947. - V. 21. - P. 1183-1204.

121. Будников Г.К. Определение следовых количеств веществ как проблема современной аналитической химии / Г.К. Будников // Соросовский образовательный журнал. 2000. - Т. 6. - № 3. - С. 45-51.

122. Байерман К. Определение следовых колическт органических веществ / К. Байерман; Пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 429 с.

123. Лейте В. Определение органических загрязнений питьевых, природных и сточных вод / В. Лейте; Пер. с нем. М.: Химия, 1975. - 200 с.

124. Bernhard W. Conductive airway surfactant: surface-tension function, biochemical composition, and possible alveolar origin / W. Bernhard et al. // Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 1997. - V. 17. - № 1. - P. 41-50.

125. Безуглый Б.А. Физический практикум: учебно-методические рекомендации для студентов физического факультета / Б.А. Безуглый, С.Г. Монтанари; Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 1999. 26 с.

126. Блинов Л.М. Лэнгмюровские пленки / Л.М. Блинов // Успехи физических наук. 1988. - Т. 155. - Вып. 3. - С. 443-480.

127. Koros W.J. Terminology for membranes and membrane processes (IUPAC Recommendation 1996) / W.J. Koros et al. // Pure & Appl. Chem. 1996. - V. 68.-№7.-P. 1479-1489.

128. Hemakanthi G. Synthesis of cadmium sulphide in pure and mixed Langmuir-Blodgett films of n-octadecylsuccinic acid / G. Hemakanthi et al. // Proc. Indian Acad. Sci. (Chem. Sci.). 2000. - V. 112. - № 2. - P. 109-118.

129. Metzger R. M. Electrical recti fication by Langmuir -Blodgett Monolayers. 8th International Conference on Electronic Materials (IUMRS-ICEM 2002, Xian, China, 10-14 June, 2002). P. 585-591.

130. Адамсон А. Физическая химия поверхности / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидора. М.: Мир, 1979. - 568с.

131. Park S.Y. Dynamic Surface Tension Behavior of Hexadecanol Spread and Adsorbed Monolayers / S.Y. Park et al. // Langmuir. 1993. V. 9. - P. 36403648.

132. Эйдельман Е.Д. Влияние толщины слоя жидкости на соотношение размеров ячейки конвекции / Е.Д. Эйдельман // ЖТФ. 1998. - Т. 68. -№ 11.-С. 7-11.

133. Гарифуллин Ф.А. Возникновение конвекции в горизонтальных слоях жидкости / Ф.А. Гарифуллин // Соросовский образовательный журнал. -2000.-Т. 6.-№8.-С. 108-114.

134. Карслоу Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карслоу, Д. Егер; Под ред. проф. А.А. Померанцева. М: Наука, 1964. - 487с.

135. Физические величины: Справочник. Под. Ред. Акад. Григорьева И.С., Михайлова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

136. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. М: Физматгиз, 1963. - 708 стр.

137. Справочник химика. Т.1. Второе изд. Переработанное и дополненное. Государственное научно-техническое издательство химической литературы. Москва, Ленинград, 1962.