Исследование структуры бабстонных кластеров в водных растворах электролитов методами лазерной диагностики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Шкирин Алексей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ БАБСТОННЫХ КЛАСТЕРОВ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ МЕТОДАМИ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность: 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

2 и НАР 2014

Москва -2014

005546224

005546224

Работа выполнена в Научном центре волновых исследований Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук (филиал)

Бункин Николай Федорович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры Физики Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Емельянов Владимир Ильич, профессор доктор физико-математических наук, профессор кафедры Общей физики и волновых процессов Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Пожар Витольд Эдуардович, доктор физико-математических наук, заведующий отделом Акустооптических информационных систем Научно-технологического центра уникального приборостроения Российской академии наук

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Защита состоится « 21» мая 2014 г. в _/5_ часов на заседании диссертационного совета диссертационного совета Д 002.063.01 в Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова, д. 38. тел. +7(499) 135-8234, +7(499) 503-8191

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Автореферат разослан «.//»2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета *—>

доктор физико-математических наук ъ/уъо <=«<«_—• В.М. Кузькин

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется необходимостью, с одной стороны, развития бесконтактных методов диагностики внутренней микро- и наноструктуры жидкостей (в частности, коллоидных систем), а с другой стороны, исследования процессов агрегации дисперсных частиц, которые являются общей чертой практически всех коллоидных систем, особенно если эти частицы заряжены. Потребность в получении информации о микроструктурных параметрах жидкостных систем возникает во многих областях, включая контроль технологических процессов, экологический мониторинг, биомедицинские и геофизические исследования. Одной из главных задач нанотехнологии можно назвать неинвазивную диагностику систем, состоящих из наноразмерных частиц. Степень агрегации (кластеризации) наночастиц и морфология получающихся агломератов на различных технологических этапах задают окончательную структуру и последующие физико-химические свойства наноматериалов (например, растворимость, механическая прочность, электро- и теплопроводность, скорость химических реакций и т.д.).

В качестве интересной с фундаментальной и практической точек зрения, почти незатронутой другими исследователями проблемы, выступает вопрос о структуре газовой фазы, содержащейся при нормальных условиях даже в очищенных от твердых примесей растворах электролитов и являющейся источником их естественной гетерогенности [1-4]. В [1] была впервые предложена и теоретически обоснована модель, представляющая долгоживущие микронеоднородности в водных ионных растворах как бабстонные кластеры. Там же был введен термин «бабстон» (аббревиатура от англ. bubble, stabilized by ions) для обозначения стабильных нанопузырьков, спонтанно возникающих при нормальных условиях в жидкостях, насыщенных растворенным газом и содержащих ионную компоненту. Присутствие бабстонов и их кластеров в водных средах существенно влияет на их физические свойства, снижая пороговые значения таких явлений, как кипе-

ние, оптический пробой, а также ультразвуковая кавитация. В то же время для практических применений (например, в ядерной энергетике) требуется высокая устойчивость жидкости к перегреву, а также оптическим и ультразвуковым полям высокой интенсивности. Следует отметить, что образование бабстонов имеет существенное значение в объяснении ряда биологических процессов. Таким образом, изучение законов формирования бабстонно-кластерной фазы в водных средах представляет собой актуальную задачу. В связи с этим диссертационная работа была посвящена экспериментальной проверке существования нанопу-зырьковых (бабстонных) кластеров в водных ионных растворах и определению их структурных параметров.

Для неразрушающей диагностики объемных образцов жидкостей, обладающих достаточной прозрачностью для оптического излучения, активно применяются лазерные методы, в первую очередь, лазерная интерференционная микроскопия, динамическое рассеяние света (фотонная корреляционная спектроскопия) и лазерная скаттерометрия (измерение углового распределения характеристик рассеянного лазерного излучения). Использование именно лазерных источников играет принципиальную роль в этих методах, поскольку лазеры сочетают необходимую степень когерентности излучения с высокой интенсивностью. Среди методов, основанных на регистрации рассеянного излучения, следует особо выделить методы, основанные на регистрации состояния поляризации излучения, рассеянного исследуемым объектом. Матрица рассеяния света (MPC), определенная как матрица Мюллера (4x4), описывает преобразование состояния поляризации света, заданного вектором Стокса, и содержит наиболее полную информацию о рассеивателях, доступную при измерении статического рассеяния [5]. Теоретическому моделированию угловых зависимостей матриц рассеяния дисперсных частиц и, в том числе, их агрегатов посвящены работы [5-9]. Однако, как правило, расчеты делаются для отдельных кластеров с фиксированными параметрами, без учета стохастичности распределения этих параметров в рассматриваемой дисперсной системе, тогда как матрицы рассеяния реальных коллоидных

систем должны моделироваться путем усреднения по целому ансамблю кластеров. Закономерности углового поведения элементов MPC систем из большого числа случайных реализаций кластеров, формирующихся в соответствии с определенным механизмом агрегации дисперсных частиц, практически не изучены и требуют, в первую очередь, экспериментальных исследований. В то же время экспериментальные работы, касающиеся влияния кластеризации дисперсных частиц на элементы MPC в жидкостях, немногочисленны. Поэтому актуальной задачей является, во-первых, создание автоматизированных приборов для измерения всех элементов матрицы рассеяния образцов жидкостей - поляриметрических скатгерометров, во-вторых, выяснение особенностей поведения матричных элементов (их угловых и спектральных зависимостей) для различного рода дисперсных систем с учетом процессов агрегации частиц дисперсной фазы. В итоге, решение этой задачи позволило бы выработать методику восстановления параметров микрофизической структуры исследуемой дисперсной системы по измеренным значениям элементов матрицы рассеяния. Для получения правильной информации о структуре рассеивателей по угловым зависимостям MPC важно знание, по крайней мере, ориентировочных значений некоторой части параметров дисперсной фазы, таких, как показатель преломления и диапазон размеров рассеивающих частиц, поэтому при исследовании микроструктуры дисперсных систем перспективно совместное использование перечисленных выше методов лазерной диагностики. Нужно подчеркнуть, что точность решения обратной задачи рассеяния напрямую зависит от степени монохроматичности и качества поляризации зондирующего излучения, поэтому в измерениях MPC предпочтение отдается лазерным источникам.

Настоящая работа стремится восполнить имеющийся пробел не только в измерительной технике и экспериментальных данных, но и также в теоретическом моделировании светорассеяния системами, состоящими из большого количества стохастических реализаций кластеров дисперсных частиц. Предложенный в диссертации метод компьютерного моделирования матриц рассеяния для ансамблей

стохастических кластеров сферических частиц может быть применен к определению параметров кластеров наночастиц в разнообразных коллоидных системах. Проведенный анализ матриц рассеяния света образцов водных растворов NaCl позволил оценить фрактальную размерность бабстонно-кластерной фазы в этих образцах.

Цель диссертационной работы:

Экспериментальное исследование микроструктуры водных растворов электролитов методами лазерной диагностики. В диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Разработка методики измерения полной матрицы рассеяния и создание автоматизированного лазерного поляриметра-скаттерометра с высокой чувствительностью к рассеянному излучению для исследования образцов жидких сред.

2. Моделирование угловых зависимостей элементов MPC для стохастических ансамблей кластеров наночастиц.

3. Экспериментальное подтверждение существования и определение параметров нанопузырьковых (бабстонных) кластеров растворенного газа в объеме очищенных от твердых примесей растворов электролитов, а также изучение динамики бабстонной фазы в зависимости от концентрации растворенных ионов методами лазерного светорассеяния и фазовой микроскопии.

Научная новизна работы заключается в следующем

1. Найдены оптимальные схемы модуляторов поляризации, отвечающие балансу быстродействие-чувствительность. Для поляриметров модуляционного типа разработана оригинальная система цифровой обработки информативного сигнала.

2. Для исследований слаборассеивающих сред создан макет лазерного по-ляримера-скаттерометра, измеряющего все 16 элементов MPC на основе

оптической схемы, включающей электрооптический модулятор и четвертьволновые пластины с целью широкоапертурного приема рассеянного света.

3. Показано, что одновременное использование нескольких взаимодополняющих методов лазерной диагностики (лазерной интерференционной фазовой микроскопии, динамического рассеяния света и лазерной поляризационной скатгерометрии) позволяет эффективно извлекать информацию о кластерах наночастиц.

4. Впервые измерены угловые зависимости матриц рассеяния глубоко очищенной (дистиллированной) воды и водных растворов электролитов. В водных ионных растворах обнаружены спонтанно образующиеся дол-гоживущие частицы микронного и субмикронного масштаба. Показано, что угловое поведение MPC соответствует рассеянию на кластерах, состоящих из газовых нанопузырьков.

5. Впервые получены фазовые изображения отдельных бабстонов и баб-стонных кластеров, а также определен их средний показатель преломления в концентрированных водных растворах NaCI.

6. Предложен метод поиска частных решений обратной задачи светорассеяния, основанный на аппроксимации экспериментальных угловых зависимостей элементов матрицы рассеяния теоретическими кривыми, рассчитанными для стохастических ансамблей кластеров сферических частиц.

7. Рассчитаны статистические характеристики нанопузырьковых кластеров, образованных по иерархическому алгоритму агрегации типа «кластер-кластер», которые соответствуют наблюдаемым в эксперименте матрицам рассеяния водных растворов электролитов.

Практическая ценность работы

Разработанный в диссертации автоматизированный макет лазерного модуляционного поляриметра-скаттерометра дает возможность измерения всех 16 элементов MPC на базе гониометрической схемы детектирования рассеянного излучения.

Создана компьютерная система цифровой обработки информативного сигнала поляриметра-скаттерометра, которая обеспечивает максимальное быстродействие при заданных частотах модуляции электрооптических модуляторов и тактовой частоте АЦП.

Предложенные подходы к анализу структуры нанопузырьковых кластеров могут применяться для диагностики произвольных кластеров наночастиц.

Полученные данные о параметрах бабстонной фазы могут быть использованы в биомедицинских и фармакологических исследованиях, а также при разработке перспективных теплоносителей для энергетических установок.

Положения, выносимые на защиту:

1. В воде и водных растворах электролитов лазерными методами может быть обнаружена и количественно охарактеризована бабстонно-кластерная микрофаза.

2. В водных растворах электролитов можно визуализировать одиночные бабстоны методом лазерной фазовой микроскопии.

3. В водных растворах электролитов радиус одиночного бабстона зависит от концентрации ионов.

4. Измерение угловых зависимостей матрицы оптического рассеяния позволяет отличить ансамбли одиночных газовых пузырьков от кластерных ансамблей.

Апробация работы. Научные результаты, полученные в диссертации, докладывались на международной конференции «7th Liquid Matter Conference» (Lund,

Sweden) в 2008г., на международной конференции «Комбинационное рассеяние -80 лет исследований» (Москва, ФИАН) в 2008 г., на IX международном форуме «Высокие технологии XXI века» (Москва ЦВК «Экспоцентр») в 2008 г., на международной конференции Fourth Annual Conference on the Physics, Chemistry and Biology of Water (West Dover, Vermont, USA) в 2009г., на международной конференции International conference Laser Applications in Life Sciences LALS-2010 (Oulu, Finland) в 2010 г., на II Международной научной конференции «Наност-руктурные материалы - 2010: Беларусь-Россия-Украина» (Киев, Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова HAH Украины) в 2010 г., на международной конференции 18th Symposium on Thermophysical Properties (Boulder, Colorado, USA) в 2012 г. на международной конференции Aqua Incognita Galileo 400 years on (Florence, Italy) в 2013 г., а также на научных семинарах Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, на научно-техническом семинаре кафедры № 37 «Лазерная физика» НИЯУ «МИФИ».

Отдельные этапы работ поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (гранты 06-0216507-а, 08-02-90252-Узб_а и 10-2-00377-А).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 14 работах, опубликованных в 2008-2013 годах в отечественных и зарубежных научных журналах и сборниках научных трудов. Из них 12 научных статей в рецензируемых изданиях по списку, рекомендованному ВАК, и одна глава в монографии.

Личный вклад автора. Цель работы и методы исследования были сформулированы научным руководителем работы при участии автора диссертации и соавторов публикаций. Личный вклад автора состоял в разработке экспериментальной методики измерения MPC, сборке и наладке лабораторного макета поля-риметра-скатгерометра, проведении экспериментов по динамическое рассеянию света, лазерной фазовой микроскопии и поляризационной скаттерометрии, а так-

же анализе экспериментальных данных на основе численного моделирования угловых профилей MPC кластерных ансамблей, в выработке подхода к поиску частных решений обратной задачи светорассеяния. Все научные результаты получены лично автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, разбитых на параграфы. Объем диссертации 118 страниц, включая 48 рисунков и список литературы из 121 наименования.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость выбранного направления исследований, сделан обзор литературы по применению методов лазерной диагностики для получения информации о параметрах различных физических объектов, в первую очередь, дисперсных (коллоидных) систем. Обсуждена методика определения микрофизических параметров дисперсной фазы, основанная на анализе угловых зависимостей элементов MPC. Приведены литературные данные, отражающие современное состояние рассматриваемой проблемы. Кратко описано содержание глав работы.

В первой главе приведены основные сведения о свойствах матрицы рассеяния света, дан сравнительный анализ оптических схем поляриметров, предназначенных для измерения элементов MPC.

В п. 1.1. кратко изложены основы матричной оптики, используемые для описания состояния поляризации света и его преобразования оптическими элементами.

В п. 1.2. обсуждены принципы построения оптических схем поляриметров, измеряющих элементы MPC.

В п. 1.3. проведен сравнительный анализ схем модуляторов-преобразователей поляризации света, используемых в составе поляриметров.

Вторая глава посвящена теоретическому моделированию угловых зависимостей элементов матрицы рассеяния для ансамблей кластеров наночастиц. Выведены общие закономерности углового поведения матричных элементов таких ансамблей. Найдены характерные отличия в матричных элементах рассеивателей кластерного типа по отношению к монолитным частицам.

П. 2.1. содержит сведения об общем виде матриц рассеяния дисперсных систем.

В п.2.2 предложена иерархическая модель роста фрактальных кластеров сферических частиц, учитывающая кластер-кластерную агрегацию. В этой модели кластер-кластерной агрегации средняя фрактальная размерность генерируемых ансамблей кластеров сферических частиц < Df > имеет монотонную зависимость от параметра модели а, определяющего вероятность Р участия кластера в акте коагуляции как степенную функцию объема F кластера Р=С-1^а, где С - размерная константа. Этот параметр дает возможность влиять на форму теоретической индикатрисы рассеяния и равномерно приближать её к экспериментальным точкам в заданном интервале углов рассеяния.

В п. 2.3 представлены результаты численного моделирования элементов MPC для ансамблей кластеров сферических наночастиц в зависимости от средней по ансамблю фрактальной размерности для логнормального и экспоненциального распределений кластеров по числу мономерных частиц. Сформулированы основные свойства углового поведения матричных элементов кластерных ансамблей.

Третья глава посвящена описанию экспериментальных методик для исследования микроструктуры жидкостных образцов.

В п. 3.1. описана предложенная в диссертации оптическая схема лазерного по-ляриметра-скаттерометра для измерения полной матрицы рассеяния жидких сред как функции угла рассеяния. Данная схема, предназначенная для детектирования слабых сигналов рассеяния, сочетает электрооптический модулятор и две поворотные четвертьволновые пластины (рис.1).

Рис. 1. Схема модуляционного лазерного поляриметра. (СИ) прерыватель луча; (ОР) оп-трон; (Р1, Р2) линейные поляризаторы; (ОЕМ) электрооптический модулятор; (АО) генератор низкой частоты; (С>\У1, С>\У2) четвертьволновые пластины; ф1) ирисовая диафрагма; (С) кювета с исследуемым образцом жидкости; (Б2) круглая диафрагма; (БЗ) щелевая диафрагма; (РЕМ) Фотоэлектронный умножитель; (АБС) аналого-цифровой преобразователь; (РС) персональный компьютер.

В п. 3.2. описан принцип действия лазерного фазово-модуляционного интерференционного микроскопа. В интерференционном канале микроскопа, где измеряется распределение оптической разности хода между объектным и опорным лучами в плоскости, поперечной оптическому пучку, был использован полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нм и микро-объективы с числовой апертурой 0.45 и 0.9 (увеличение 20х и ЮОх, соответственно).

В п. 3.3 изложены основы метода динамического рассеяния света и приведена схема экспериментальной установки для фотонной корреляционной спектроскопии.

В обеих установках по светорассеянию (поляризационному и динамическому) в качестве источника света было использовано излучение второй гармоники непрерывного УАС:Ш3+ лазера с длиной волны 532 нм.

В четвертой главе диссертации с помощью трех независимых методов лазерной диагностики, описанных в главе 3, изучена естественная гетерогенность ионных водных растворов, насыщенных растворенным газом. Экспериментально

проверено существование в водных растворах кластеров ионно-стабилизированных нанопузырьков (бабстонов) и определены их параметры.

В п. 4.1. изложены физические предпосылки образования бабстонов в водной среде, содержащей ионную компоненту. Дается краткий обзор современных работ по исследованию бабстонной фазы. Обсуждается роль бабстонов и их кластеров в физико-химических и биологических процессах.

В п. 4.2 приведены результаты калибровки экспериментальных установок по монодисперсной суспензии кварца и суспензиям полистирольного латекса с различной дисперсностью.

В п. 4.3 представлены результаты экспериментальных исследований очищенных от твердотельных примесей образцов дистиллированной воды и водных растворов №С1

На рис.2 показана фотография макрочастиц, спонтанно возникших в водном растворе №С1 при нормальных условиях, в белом свете микроскопа и распределение оптической разности хода для одной из этих частиц, полученные при использовании микрообъектива с числовой апертурой 0.45. Эти частицы, имеющие размеры от ~ 0.1 до ~ 1 мкм, слабо различимы на фотографии (рис.2а), т.к. четкая межфазная граница практически отсутствует.

Сопоставление профилей оптической разности хода для обнаруженных в водном растворе КаС1 газовых образований (разность хода отрицательна) и монодисперсных частиц кварца с известным показателем преломления п= 1.46 (разность хода положительна), позволило оценить их эффективный показатель преломления п = 1.28 при эффективном радиусе 1 мкм. Такое-значение показателя преломления говорит о том, что данные образования не могут быть сплошными пузырьками, а должны содержать внутри себя прослойки воды. Отсюда следует предположение, что такого рода макрочастицы представляют собой кластеры из нанопузырьков.

Возникает вопрос: можно ли зафиксировать с помощью данного микроскопа отдельный бабстон? Если считать, что обнаруженные в 1 М растворе №С1 части-

цы (рис.2) - бабстонные кластеры, то размер самого бабстона не может превышать величины —100 нм.

(а)

Оптическая разность хода, нм

1.0 X, мкм

1.0

У, мкм

0.0

Об)

Рис. 2. Частицы, спонтанно возникшие в водном растворе №С1 с концентрацией 1М в белом свете микроскопа (а), и 2В-профили оптической разности хода для одной из таких частиц (б) полученные при использовании микрообъектива с числовой апертурой 0.45.

Это означает, что бабстоны такого размера, находящиеся в объеме образца, будут совершать броуновское движение со средней скоростью, которая превышает быстродействие интерференционного канала микроскопа. Т.о., получить фазовый портрет отдельного бабстона, позволяющий определить его размер и показатель преломления, можно только если бабстон неподвижен. Нами был поставлен эксперимент с образцом 1М водного раствора NaCl толщиной 30 мкм при использовании объектива с числовой апертурой 0.9, что обеспечивало почти максимальное достижимое на практике разрешение для объективов без иммерсии. Вблизи покровного стекла удалось получить изображения неподвижных структур с разветвленной морфологией, оптическая разность хода для которых оказалась меньше, чем для воды (рис.3). Отметим, что такая морфология характерна для агрегации типа "кластер-кластер". Соответствующее распределение оптической разности хода в кадре 7.5x7.5 мкм2 показано на рис.36.

Как видно на рис.Зб, интеферограмма предоставляет большее разрешение, чем картина (рис.За), полученная в белом свете. На этой интерферограмме наряду с кластерными структурами можно различить и отдельные нанопузырьки. Пример распределение оптической разности хода на таком нанопузырьке показан на рис.4. Анализ фазовых профилей отдельных нанопузырьков позволяет утверждать, что все нанопузырьки в 1М водном растворе NaCl с хорошей точностью имеют один и тот же размер, приблизительно равный 150 нм. Необходимо иметь в виду, что реальный профиль уширен за счет дифракции, т.е. истинный размер нанопузырька несколько меньше. Оценка показателя преломления такого нано-пузырька дает значение п ~ 1, которое отвечает сплошной сферической газовой частице, в то время как средний показатель преломления более крупных структур 1 <п< 1.33. Следовательно, нанопузырьки с размером —150 нм можно рассматривать как наименьшие сферические частицы, спонтанно образующиеся в 1М водном растворе NaCl, в результате агрегации которых получаются кластеры с широким спектром размеров, соответствующих различному числу мономерных нанопузырьков в их составе.

100-

п

• 1'Л

Уч

¿^г О

о-1

Об)

Рис. 3. Фотография частиц, спонтанно возникших в водном растворе ЫаС1 с концентрацией 1М вблизи поверхности покровного стекла, в белом свете микроскопа (а) и 20-распределение оптической разности хода участка размером 7.5x7.5 мкм2, выделенного рамкой на рис (а), которое получено при использовании микрообъектива с числовой апертурой 0.9 (б).

У, мкм

X, мкм

Оптическая разность хода, нм

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

у, МКМ

(б)

Рис. 4. Двумерное распределение оптической разности хода нанопузырька в водном растворе №01 с концентрацией 1М вблизи поверхности покровного стекла (а) и его профиль вдоль оси У (б), полученные при использовании микрообъектива с числовой апертурой 0.9.

Чтобы выяснить, действительно ли в объеме солевых растворов спонтанно возникают газовые нанопузырьки, был проведен эксперимент по динамическому рассеянию света (ДРС). Нормированная корреляционная функция интенсивности света, рассеянного на угол 9 = 45°, ¿2\т) = СХт)/</>2 (где в^т) = <Д/)/(Г+г)>) для образца водного 1М раствора №С1 показана на рис.5.

Рис.5. Временная корреляционная функции интенсивности света, рассеянного под углом 6 = 45°, для водного 1М раствора КаС1.

Анализ нормированной корреляционной функции электрического поля рассеянной волны я11'(г), которая связана с g(2)(т) соотношением Зигерта ^п(т) =

^■(2'(т) - 1 , дает гистограмму распределения интенсивности рассеянного света по размерам частиц (Рис.6). В этом распределении видна достаточно широкая компонента в области десятков нанометров до нескольких микрон. Эксперименты по ДРС также показали, что параметры этой компоненты зависят от концентрации растворенной соли и содержания растворенного газа.

Л им

Рис.6. Гистограмма распределения интенсивности рассеянного света, рассеянного на угол б = 45°, по размерам частиц внутри образца водного 1М раствора №С1.

Чтобы ответить на вопрос о внутренней структуре частиц, обнаруженных в водных растворах ЫаС1, были измерены угловые зависимости элементов матрицы рассеяния света.

В п. 4.4 предложен подход к решению обратной задачи восстановления параметров кластерной структуры дисперсной фазы, который основан на аппроксимации угловых зависимостей матрицы рассеяния теоретическими кривыми, вычисленными при усреднении по ансамблю стохастических кластеров сферических частиц. Исходя из теории [3] и данных фазовой микроскопии, распределение бабстонов по размерам считалось монодисперсным. Распределение кластеров по числу составляющих их бабстонов моделировалось экспонентами вида р(Ы)~е~а", {N>1, а > 0). На рис.7 показаны экспериментально измеренные угловые зависимости элементов матрицы рассеяния для водного 1М раствора ИаС1 и соответствующие им результаты численного моделирования.

40 50 8, град

0, град

40 50 6, град

40 50

9, град

1.0"аеедвооеооввв

0.90,8 0.7 0,6 0,5 0,4 0.3 0,2 0,1 0,0

40 50 в, град

О, град

Рис.7. Угловые зависимости элементов матрицы рассеяния для ансамблей нанопузырько-вых кластеров с параметрами <Л^> = 400, Л= 60 нм, а= -1.5, <0/> = 2.5 (серый цвет) <№> = 300, Я = 80 нм, а = -1.4, <£>/> =2.47 (пунктирные), <М> = 200, Л = 100 нм, а = -1.3,<£>/> =2.43 (штриховые), <#> = 100, Д= 120 нм а = -1.2,<£>/> =2.4 (штрих-пунктирные). Рассеяние рэлеевскими частицами показано черным цветом. Экспериментальные зависимости для водного раствора ИаС1 (1 М) показаны кружками

На рис.8 изображен пример стохастической компьютерной реализации баб-стонного кластера иерархического типа с параметрами N = 400, = 100 нм, а = -1.3, которые соответствуют одному из найденных частных решений обратной задачи рассеяния (рис.7). Фрактальная размерность этого кластера П/= 2.45

Рис.8. Взаимно перпендикулярные проекции стохастической реализации бабстонного кластера иерархического типа с параметрами Лг= 400, = 100 нм, О/ = 2.45.

Отметим, что ветви кластера на рис.8 имеют морфологию, достаточно близкую к образованиям кластерного типа, которые наблюдались в фазовом микроскопе (рис.3). Именно, обнаруженные в водном 1М растворе ЫаС1 бабстонные кластеры обладают фрактальной структурой, подобной изображенной на рис.8.

П. 4.5 содержит выводы, где сформулированы основные результаты главы. Было установлено, что в водном 1М растворе ЫаС1 среднее число бабстонов в одном кластере составляет -100; радиус бабстонов « 100 нм и средняя фрактальная размерность кластеров < Оу > « 2.4. В экспериментах с суспензиями калибровочных частиц, в водном 1М растворе №С 1 была оценена концентрация бабстонных кластеров, равная да 4-105 см'3.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы.

400пш

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан и создан автоматизированный лазерный поляриметр-скаттерометр модуляционного типа для измерения элементов матрицы рассеяния света (MPC) на длине волны 532 нм как функций угла рассеяния в жидких средах.

2. Путем численных экспериментов найдены характерные свойства угловых зависимостей MPC кластерных ансамблей из сферических наночастиц.

3. В экспериментах по динамическому рассеянию света в водных растворах NaCl обнаружены спонтанно образующиеся частицы с размерами в диапазоне от десятков нм до нескольких микрон. Эксперименты по лазерной фазово-модуляционной микроскопии также показали присутствие в этих растворах долгоживущих частиц микронного и субмикронного масштаба с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления воды. Среди этих частиц удалось различить одиночные нанопузырьки.

4. Впервые измерены угловые зависимости MPC на длине волны 532 нм в очищенных от твердотельных примесей образцах дистиллированной воды и водных растворов NaCl.

5. Предложен подход к поиску частных решений обратной задачи светорассеяния, который основан на аппроксимации экспериментальных угловых зависимостей элементов MPC теоретическими кривыми, рассчитанными для стохастических систем кластеров сферических частиц.

6. Показано, что угловое поведение MPC в водных растворах электролитов может быть интерпретировано как рассеяние на кластерах, состоящих из ионно-стабилизированных газовых нанопузырьков (бабстонов). Найдены значения радиуса бабстонов и среднего числа бабстонов в кластере, а также средней фрактальной размерности бабстонных кластеров в водных растворах NaCl.

7. Получены экспериментальные зависимости радиуса одиночных бабсто-нов и коэффициента экстинкции, соответствующего рассеянию на баб-стонных кластерах, от молярной концентрации растворенных ионов для водных растворов NaCl. Для радиуса бабстонов зависимость оказалась монотонно возрастающей при увеличении концентрации соли.

Публикации по теме диссертации.

1. Bunkin N.F., Suyazov N.V., Shkirin A.V., Ignatiev P.S., Indukaev K.V. Study of nanostructure of highly purified water by measuring the scattering matrix elements of laser radiation // Physics of Wave Phenomena. - 2008,- V.16, №4.- P. 243 -260.

2. Bunkin N.F., Suyazov N.V., Shkirin A.V., Ignatiev P.S., Indukaev K.V. Nanoscale structure of dissolved air bubbles in water as studied by measuring the elements of the scattering matrix // J. Chem. Phys.- 2009,- V.130, Issue 13, Art. 134308,- 12 p.

3. Бункин Н.Ф., Суязов H.B., Шкирин A.B., Игнатьев П.С., Индукаев К.В. Определение микроструктуры газовых пузырьков в глубоко очищенной воде по измерениям элементов матрицы рассеяния лазерного излучения // Квантовая Электроника. - 2009,- Т. 39, № 9. - с. 367-381.

4. Бункин Н.Ф., Игнатьев П.С., Индукаев К.В., Суязов Н.В., Шкирин А.В. Кластерная структура стабильных нанопузырей растворенного газа в глубоко очищенной воде // ЖЭТФ,- 2009.-Т. 135, №5, с. 917-937

5. Bunkin N.F., Shkirin A.V., Kozlov V.A., Starosvetskiy A.V. Laser scattering in water and aqueous solutions of salts // Proc. SPIE Vol. 7376, 73761D, 2010

6. Bunkin N.F., Ninham B.W., Ignatiev P.S., Kozlov V.A., Shkirin A.V., Starosvet-skij A.V., Long-living nanobubbles of dissolved gas in aqueous solutions of salts and erythrocyte suspensions // Journal of Biophotonics.- 2011, V. 4, № 3, P. 150— 164

7. Bunkin N.F., Yurchenko S.O., Suyazov N.V., Starosvetskiy A.V., Shkirin A.V., Kozlov V.A. Modeling the cluster structure of dissolved air nanobubbles in liquid media // Mathematics Research Developments. Classification and Application of Fractals, Nova Science Publishers, Eds: W. L. Hagen, P. 3-52,2011.

8. Бункин Н.Ф., Шкирин A.B., Козлов В.А., Старосветский А.В., Игнатьев П.С. Квазистабильные кластеры нанопузырьков растворённого газа в воде и водных растворах электролитов // Наносистемы, наноматериалы, нанотехноло-гии, 2011, Т. 9, № 2, С. 499 - 504

9. Bunkin N.F., Yurchenko S.O., Suyazov N.V., Shkirin A.V. Structure of the nano-bubble clusters of dissolved air in liquid media// J. Biol. Phys. - 2012, V. 38, P. 121-152.

10. Bunkin N.F., Shkirin A.V., Ignatiev P.S., Chaikov L.L., Burkhanov I.S., Starosvetskiy A.V. Nanobubble clusters of dissolved gas in aqueous solutions of electrolyte. I. Experimental proof// J. Chem. Phys. -2012, V.137, 054706.

11. Bunkin N.F., Shkirin A.V. Nanobubble clusters of dissolved gas in aqueous solutions of electrolyte. II. Theoretical interpretation // J. Chem. Phys. - 2012, V.137, 054707.

12. Bunkin N.F., Shkirin A.V., Kozlov V.A. Cluster Structure of Dissolved Gas Nanobubbles in Ionic Aqueous Solutions // J. Chem. Eng. Data. - 2012, V. 57, N 10, P. 2823-2831.

13. Bunkin N.F., Shkirin A.V., Suyazov N.V., Starosvetskiy A.V. Calculations of Light Scattering Matrices for Stochastic Ensembles of Nanosphere Clusters // J. of Quant. Spectr. & Rad. Trans., 2013, V. 123, P. 23-29.

14. Бункин Н.Ф., Шкирин A.B. Исследование бабстонно-кластерной структуры воды и водных растворов электролитов методами лазерной диагностики // Труды ИОФАН, Т. 69, 2013, С. 3-57.

Цитированная в автореферате литература

1. Бункин Ф.В., Бункин Н.Ф. Бабетоны: стабильные микроскопические газовые пузыри в слабых растворах электролитов // ЖЭТФ, 1992, т. 101, вып. 2, С. 512-527.

2. Бункин Н.Ф., Бункин Ф.В. Экранировка сильнозаряженных макрочастиц в жидких растворах электролитов // ЖЭТФ, 2003, Т. 123, С. 828-845.

3. Bunkin N.F., Bunkin F.V. Bubston Structure of Water and Aqueous Solutions of Electrolytes // Physics of Wave Phenomena, 2013, Vol. 21, No. 2, P. 81-109

4. Ushikubo F.Y., Furukawa Т., Nakagawa R., Enari M., Makino Y., Kawagoe Y., Shiinab Т., Oshita S. Evidence of the existence and the stability of nano-bubbles in water // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2010, V. 361, P.31-37

5. Mishchenko M.I., Travis L.D., Lacis A.A. Scattering, Absorption, and Emission of Light by Small Particles. Cambridge University Press, Cambridge, 2002.

6. Xu Y.-L., Wang R.T. Electromagnetic scattering by an aggregate of spheres: Theoretical and experimental study of the amplitude scattering matrix // Phys. Rev. E, 1998, V. 58, P. 3931-3948.

7. Kimura H. Light-scattering properties of fractal aggregates: numerical calculations by a superposition technique and the discrete-dipole approximation // J. of Quant. Spectr. & Rad. Trans., 2001, V. 70, P. 581-594.

8. Klusek C., Manickavasagam S., Menguc M.P. Compendium of scattering matrix element profiles for soot agglomerates // J. of Quant. Spectr. & Rad. Trans., 2003, V. 79-80, P. 839-859.

9. Liu L., Mishchenko M.I. Effects of aggregation on scattering and radiative properties of soot aerosols // J Geophys Res., 2005, V. 110, D11211

10. Жюльен P. Фрактальные агрегаты // УФН, 1989, Т. 157, Вып. 2, С. 339-357.

11. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. -М.: Наука, 1991.

Подписано в печать:

24.02.2014

Заказ № 9367 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ им. А.М. ПРОХОРОВА НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВОЛНОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

04201457356

Шкирин Алексей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ БАБСТОННЫХ КЛАСТЕРОВ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ МЕТОДАМИ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Н.Ф. Бункин

Москва-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1. Методы измерения матрицы рассеяния света 10

1.1. Способы описания поляризации света 10

1.2. Принципы построения оптических схем поляриметров 14

1.2.1 Схемы PSD с разделением измерений по каналам 16

1.2.2 Схемы PSD с разделением измерений во времени 17

1.3. Модуляторы поляризации света. 17

1.3.1 Расчет двухэлементных поляризационных модуляторов 17

1.3.2 Физические эффекты и материалы для модуляции поляризации света 26

Глава 2. Моделирование рассеяния лазерного излучения системами

кластеров наночастиц 29

2.1 Общий вид матриц рассеяния дисперсных систем 29

2.2 Модель кластер-кластерной агрегации 33

2.3 Численные расчеты матриц рассеяния света для ансамблей кластеров наносфер 37

Глава 3. Экспериментальная техника 48

3.1. Поляриметр-скаттерометр на основе второй гармоники Nd:YAG лазера с длиной волны 0,532 мкм 48

3.1.1. Оптическая схема и принцип работы 48

3.1.2. Система обработки информативного сигнала 52

3.2. Лазерный модуляционно-интерференционный микроскоп 56

3.3. Спектрометр динамического рассеяния света 60

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 66

4.1. Постановка задачи 66

4.2. Водные суспензии кварца и полистирольного латекса 70

4.2.1 Эксперименты по фазовой микроскопии. 70

4.2.2 Эксперименты по измерению матрицы рассеяния света 77

4.3. Водные растворы NaCl 80

4.3.1 Эксперименты по фазовой микроскопии. 82

4.3.2 Эксперименты по динамическому рассеянию света. 89

4.3.3 Эксперименты по измерению матрицы рассеяния света 97

4.4. Решение обратной задачи светорассеяния в водных растворах ЫаС1 99

4.4.1. Компьютерное моделирование структуры бабстонных кластеров 100

4.4.2. Определение концентрации бабстонных кластеров 104

4.5. Выводы 108

Заключение 110

Список литературы

111

ВВЕДЕНИЕ

Методы неразрушающего анализа веществ в разнообразных фазовых состояниях, активно развиваемые в последние десятилетия, находят широкое применение как в фундаментальных, так и прикладных исследованиях, где представляет интерес определение состава и структуры дисперсных систем, в частности, микро- и наноструктуры жидкостей (например, коллоидных систем). Общей чертой практически всех коллоидных систем, являются процессы агрегации дисперсных частиц. Поэтому, значительную актуальность имеет, с одной стороны, совершенствование бесконтактных методов диагностики дисперсной фазы, сформированной в объеме жидкости, а, с другой стороны, экспериментальное изучение структуры кластеров дисперсных частиц, образующихся в таких системах. Потребность в получении информации о микроструктурных параметрах в жидкости возникает во многих областях, включая контроль технологических процессов, физико-химические, геофизические, биомедицинские и фармакологические исследования, а также экологический мониторинг.

Интересной с фундаментальной и практической точек зрения, но практически незатронутой другими исследователями проблемой является выяснение структуры газовой фазы, содержащейся при нормальных условиях в очищенных от твердых примесей растворах электролитов и являющейся источником их естественной гетерогенности [1-5]. В [1] была впервые предложена и теоретически обоснована модель, представляющая долгоживущие газовые микронеоднородности в водных ионных растворах как бабстонные кластеры. Там же был введен термин «бабстон» (аббревиатура от англ. bubble, stabilized by ions) для обозначения стабильных нанопузырьков, спонтанно возникающих при нормальных условиях в жидкостях, насыщенных растворенным газом и содержащих ионную компоненту. Присутствие бабстнов и их кластеров в водных средах существенно влияет на физические свойства этих сред, являясь центрами оптического пробоя, ультразвуковой кавитации, а также кипения. В то же время, для практических применений (например, в ядерной энергетике) требуется высокая устойчивость жидкости к перегреву, а также по отношению к оптическим и ультразвуковым полям высокой интенсивности. Следует отметить, что образование бабстонов имеет существенное значение в объяснении ряда биологических процессов (например, дыхание морских организмов). Таким образом, изучение законов формирования бабстонно-кластерной фазы в водных средах представляет собой актуальную задачу. В связи с этим диссертационная работа была посвящена экспериментальной проверке существования нанопузырьковых (бабстонных) кластеров в водных ионных растворах и определению их структурных параметров.

Для неразрушающей диагностики объемных образцов жидкостей, обладающих достаточной прозрачностью для оптического излучения, активно применяются лазерные методы, в первую очередь, лазерная интерференционная микроскопия, динамическое рассеяние света (главным образом, фотонная корреляционная спектроскопия) и лазерная скаттерометрия (измерение углового распределения характеристик рассеянного лазерного излучения). Использование именно лазерных источников играет принципиальную роль в этих методах, поскольку лазеры сочетают высокую когерентность излучения и большую интенсивность. Среди методов, основанных на регистрации рассеянного излучения, особое место занимают методы, основанные на регистрации не только интенсивности, но и состояния поляризации излучения, рассеянного исследуемым объектом. Матрица рассеяния света (MPC), определенная как матрица Мюллера (4x4), описывает преобразование векторов Стокса, задающих состояние поляризации света, и содержит наиболее полную информацию о рассеивателях, доступную при статическом рассеянии [6-8]. Элементы MPC, будучи функциями угла рассеяния, зависят также от длины волны зондирующего излучения, оптических характеристик и дисперсности вещества. Методы неразрушающей диагностики, основанные на измерении элементов MPC, широко используются для получения информации о свойствах коллоидов и суспензий, в том числе биологических, [9-18], аэрозолей [19-27]; шероховатых поверхностей материалов [28-34], покрытий из наночастиц [35-36], композитных материалов, которые могут рассматриватьтся как многослойные системы дискретных рассеивателей [37-40], а также для изучения микробиологических систем и биотканей [41-48].

Матрица рассеяния лазерного излучения оказывается весьма чувствительной к оптическим характеристикам, форме и распределению по размерам рассеивающих объектов. В частности, как показывает теоретическое моделирование [49-53, 57, 65, 120], в случае, когда размер рассеивателей превышает длину волны света, становится возможным определить, являются ли они отдельными монолитными частицами или представляют собой агрегаты из частиц меньших, чем длина волны. Выяснение особенностей угловых и спектральных зависимостей матричных элементов для различного рода дисперсных систем с учетом процессов агрегации частиц дисперсной фазы позволяет выработать методику восстановления параметров микрофизической структуры исследуемой дисперсной системы по измеренным значениям элементов марицы рассеяния. Метод измерения элементов MPC как функций угла рассеяния (т.н. скаттерометрия) особенно востребован при исследованиях водных суспензий и коллоидных растворов, дисперсная фаза которых образована частицами различных веществ микронного и субмикронного масштаба, а также биологическими объектами (клетками, органеллами). Например, в работе [17] показано, что по характеристикам рассеяния света можно получить информацию о динамике колонии бактерий - стадиях развития, распределении

бактерий по форме и размерам. Кроме того, данный метод может быть использован для идентификации бактерий, вирусов и других микроорганизмов в реальном масштабе времени [18]. При этом соответствующие коэффициенты матрицы Мюллера зависят от оптического пути, типа и концентрации активных молекул и микроорганизмов. В работе [18] отмечено, что нормированный элемент/34 = F34 / F и (здесь и далее f,k s F,k / Fn) чувствителен к глобальным изменениям свойств бактерий, в то время как элемент fu оказывается более чувствительным к тонким изменениям, происходящим в структуре ДНК. В [54, 55] детально проанализировано влияние нерегулярности формы частиц на значения элементов MPC, обнаружено, что элементы /12 и /34 могут служить хорошими морфологическими индикаторами. Одной из главных задач

нанотехнологии можно назвать неинвазивную диагностику систем, состоящих из наноразмерных частиц. Степень агрегации (кластеризации) наночастиц и морфология получающихся агломератов на различных технологических этапах задают окончательную структуру и последующие физико-химичесие свойства наноматериалов (например, растворимость, механическую прочность, электро- и теплопроводность, скорость химических реакций и т.д.). В работах [10, 11] метод измерения угловых зависимостей элементов MPC был применен к определению фрактальных свойств агломератов наночастиц, состоящих из оксидов металлов.

Теоретическому моделированию угловых зависимостей матриц рассеяния дисперсных частиц и, в том числе, их агрегатов посвящено достаточное количество работ [6-8, 49-59, 118, 119]. Однако, как правило, расчеты делаются для отдельных кластеров с фиксированными параметрами, без учета стохастичности распределения этих параметров в рассматриваемой дисперсной системе, тогда как матрицы рассеяния реальных коллоидных систем должны моделироваться путем усреднения по целому ансамблю кластеров. Закономерности углового поведения элементов MPC систем, составленных из большого числа случайных реализаций кластеров и формирующихся в соответствии с определенным механизмом агрегации дисперсных частиц, практически не изучены и требуют, в первую очередь, экспериментальных исследований. В то же время экспериментальные работы, касающиеся влияния кластеризации дисперсных частиц на элементы MPC в жидкостях, немногочисленны. Поэтому актуальной задачей является, во-первых, создание автоматизированных приборов для измерения всех элементов матрицы рассеяния образцов жидкостей — поляриметрических скаттерометров, во-вторых, выяснение особенностей поведения матричных элементов (их угловых и спектральных зависимостей) для различного рода дисперсных систем с учетом процессов агрегации частиц дисперсной фазы. В итоге, решение этой задачи позволило бы выработать методику восстановления параметров микрофизической структуры исследуемой дисперсной системы по измеренным значениям элементов матрицы рассеяния. Для получения правильной информации

о структуре рассеивателей по угловым зависимостям MPC важно знание, по крайней мере, приблизительных значений некоторой части параметров дисперсной фазы, таких как показатель преломления и диапазон размеров рассеивающих частиц, поэтому при исследовании микроструктуры дисперсных систем перспективно совместное использование перечисленных выше методов лазерной диагностики. Нужно подчеркнуть, что точность решения обратной задачи рассеяния напрямую зависит от степени монохроматичности и качества поляризации зондирующего излучения, поэтому в измерениях MPC предпочтение отдается лазерным источникам.

Для наночастиц, у которых их размер R и показатель преломления по отношению к дисперсионной среде потн удовлетворяют условию (n2mH -1 )kR «I (к - волновой вектор

световой волны), форма угловых зависимостей почти всех элементов MPC приближается к релеевской (нерэлеевский характер может сохранять только элемент F\ i). Это снижает информативность MPC, особенно если коэффициент рассеяния изучаемой нанодисперсной фазы становится сравнимым или меньше уровня фонового (молекулярного) рассеяния. В этом случае возможность определения размеров наночастиц существенно расширяется при использовании метода динамического рассеяния света, который позволяет, с одной стороны, детектировать частицы <~ 1 нм, с другой стороны, разделить вклады в интенсивность рассеяния от интересущих частиц и фона и, как следствие, фиксировать интенсивность излучения, обусловленную наличием интересующих нас рассеивателей, которая может быть меньше фоновой интенсивности.

Корректность решения обратной задачи рассения повышается, если известен показатель преломления рассеивателей, по среднему значению которого можно судить о правильности выбора структурной модели рассивателей (сплошные или состоящие из более мелких частиц, однородные или слоистые). Поэтому образцы дисперсных сред необходимо исследовать также методом фазовой микроскопии, в котором измеряется пространственное распределение показателя преломления слоя жидкости в плоскости, поперечной лазерному лучу.

Таким образом, подход, основанный на одновременном использовании перечисленных выше взаимодополняющих методов лазерной диагностики (лазерной интерференционной фазовой микроскопии, динамического рассеяния света и лазерной поляризационной скаттерометрии) совместно с теоретическим моделированием угловых зависимостей элементов MPC, позволяет эффективно извлекать информацию о кластерах наночастиц.

Для анализа экспериментальных данных в диссертации был разработан алгоритм компьютерного моделирования угловых зависимостей элементов MPC ансамблей стохастических кластеров сферических частиц, который может быть применен к определению параметров кластеров наночастиц в разнообразных коллоидных системах.

Предложенный подход был применен к исследованию образцов дистиллированной воды и водных растворов NaCl, что позволило визуализировать структуру нанопузырьковой фазы в этих образцах.

В соответствии со сказанным выше, цель диссертации заключалась в экспериментальном исследовании микроструктуры водных растворов электролитов методами лазерной диагностики. В диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Разработка методики измерения полной (для всех 16 элементов) матрицы рассеяния и создание автоматизированного лазерного поляриметра-скаттерометра для исследования образцов жидких сред с высокой чувствительностью по отношению к рассеянному излучению.

2. Моделирование угловых зависимостей элементов MPC для стохастических ансамблей кластеров наночастиц.

3. Экспериментальное подтверждение существования и определение параметров бабстонных кластеров растворенного газа в очищенных от твердых примесей растворах электролитов, а также изучение динамики бабстонной фазы в зависимости от концентрации растворенных ионов.

В первой главе диссертации был проведен анализ возможных схемотехнических решений модуляторов поляризации в составе оптических схем поляриметров-скаттерометров, предназначенных для измерения полной матрицы Мюллера. Найдены оптимальные схемы модуляторов поляризации, отвечающие балансу быстродействие-чувствительность. Для поляриметров модуляционного типа разработана оригинальная система цифровой обработки информативного сигнала.

Вторая глава посвящена теоретическому моделированию угловых зависимостей элементов матрицы рассеяния для ансамблей кластеров наночастиц. Выводятся общие закономерности углового поведения матричных элементов таких ансамблей при изменении фрактальных параметров составляющих их кластеров. Найдены характерные отличия в матричных элементах рассеивателей кластерного типа по отношению к монолитным частицам.

Третья глава посвящена описанию экспериментальных методик для исследования микроструктуры жидкостных образцов (лазерная интерференционная фазовая микроскопия, динамическое рассеяние света, лазерная поляризационная скаттерометрия). В установках по светорассеянию (поляризационному и динамическому) в качестве источника когерентного излучения была использована вторая гармоника YAG:Nd3+- лазера с длиной волны 532 нм, а в фазовом микроскопе - полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нм.

Разработанный в диссертации поляриметр-скаттерометр имеет комбинированную оптическую схему, сочетающую электрооптический модулятор и две четвертьволновые

пластины с целью широкоапертурного приема рассеянного света [60-64]. В данном скаттерометре была применена специальная конструкция кюветы и приемной диафрагмы для усиления сигнала рассеяния и отсечения фонового излучения, соответственно. Это позволило исследовать слаборассеивающие среды, в качестве которых выступали водные растворы электролитов, подвергнутые тонкой очистке от твердотельных примесей. Измерение элементов MPC ос�