ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ФНКЦ РР |
||
Проект направлен на экспериментальную реализацию известной из квантовой механики возможности разделения воды на независимые спин-изомерные фазы – орто- и параводу. Планируется исследовать вопрос о том, в каких условиях и как долго могут существовать раздельно орто- и парафазы воды, какими свойствами и различиями они обладают, как их раздельное существование может сказаться на процессах с участием воды. Теоретически, свободный водяной пар состоит из молекул Н2О двух сортов – с однонаправленными и разнонаправленными водородными ядерными спинами. Первые, ортомолекулы, имеют суммарный магнитный момент J=1; вторые, парамолекулы, из-за взаимной компенсации протонных спинов имеют J=0. При нормальных условиях количества магнитных орто- и немагнитных парамолекул находятся в статистическом равновесии 3:1. При столкновениях, попадая в магнитные поля друг друга, молекулы воды могут претерпевать «орто-пара» превращения, однако, процесс этот – маловероятный, оценочное время жизни орто- и парамолекул исчисляется месяцами. Таким образом, водяной пар в прямом смысле является смесью двух газов, которые, теоретически, доступны для разделения. Задача разделения газа на спиновые изомеры около века назад была решена для водорода. Сегодня орто- и параводород – самостоятельные субстанции с известными свойствами. Факт существования независимых форм водорода учитывается и используется во множестве научных исследований и технических приложений. В отношении воды задача «орто-пара» разделения остается нетронутой. Ее актуальность, однако, для широчайшего круга сфер деятельности, связанных с водой – от биофизики до промышленных технологий, не вызывает сомнений. В астрономических исследованиях уже сейчас по наблюдаемому со спутников «орто-пара» отношению судят о температуре комет. Предполагается, что орто- и паравода могут обладать существенно разными физико-химическими свойствами (растворяющая способность, гидратация), что в них могут по-разному протекать химические и биологические процессы, что разделение магнитных и немагнитных орто- и парамолекул даст новые методы в ЯМР-томографии, что «орто-пара» состав пород и льдов даст информацию о их возрасте и происхождении, что измерение «орто-пара» состава атмосферы позволит следить за ее состоянием и погодой. Главным препятствием на пути к изучению свойств орто- и параводы и реализации возможностей с ними связанных является полное отсутствие диагностических методов определения «орто-пара» состава водосодержащих объектов. Проектом планируется разработка экспериментальной методики фазового разделения водяного пара на спин-изомерные фракции и изучения их физико-химических свойств и фазовых превращений.
1. С помощью субмиллиметрового спектрометра на базе ламп обратной волны (ЛОВ) проведены исследования селективных свойств глицерина при адсорбции спин изомеров воды. Измерения прводились при комнатной температуре. С помощью ЛОВ-спектрометра регистрировалось интегральное поглощение на линиях вращательного спектра паров воды. При напуске газовой смеси паров воды с аргоном в колбу с глицерином было обнаружено преимущественное поглощение молекул пара-модификации, что приводило к увеличению орто-модификации в газовой фазе и нарушению орто-пара (о:п) равновесия. Вместо значения 3:1 для термодинамически равновесного водяного пара о:п отношение в измерительной кювете возрастало до 5:1. Полученные измерения позволили построить изотермы адсорбции спин-изомеров воды глицерином. Аналогичные измерения были проделаны для сверхсшитого полистирола МН200. При напуске газовой смеси в колбу также было обнаружено преимущественное поглощение молекул пара-модификации. 2. При комнатной температуре были проведены исследования десорбции спин-изомеров воды из предварительно приготовленной 20% смеси воды с глицерином. Было обнаружено, что после частичной откачки паров воды из смеси о:п отношение для десорбированного уменьшалось до 2.3:1, что свидетельствовало о нарушении о:п отношения в глицерине в сторону пара-модификации воды. Полученные результаты свидетельствуют о преимущественной десорбции молекул орто-воды из смеси вода-глицерин. В полученной смеси наблюдалось постепенное увеличение о:п отношения до равновесного значения 3:1. Время релаксации составило 2 недели. 3. Создана новая спектральная система диагностики концентрации спин-изомеров паров воды на основе перестраиваемых диодных лазеров. Для измерений использовались линии колебательно-вращательных переходов молекул воды в диапазоне 1.3 мкм. Разработана и изготовлена оптическая схема лазерного анализатора, изготовлены измерительные кюветы, построен вакуумный пост и написана программа обработки спектральных линий поглощения паров воды. Предварительные результаты исследований адсорбционных свойствам глицерина, проведенные на диодном лазерном спектрометре подтвердили результаты, полученные с помощью ЛОВ-спектрометра. 4. Построен лазерный спектрометр на основе диодных лазеров с вертикальной структурой фирмы Vertilas, работающих на комбинационном колебательно-вращательном переходе 000-011 в диапазоне 5383-5400 см-1, для измерения орто-пара отношения спин-изомеров воды на частотах 5393.648 см-1 ( линия орто-модификации) и 5396.543 см-1 ( линия пара-модификации). Разработана программа для управления работой лазера, регистрации спектров и обработки результатов с помощью системы Lab View. Достигнута точность измерения орто-пара отношения спин-изомеров воды 0.5% в диапазоне давлений паров воды 0.1-5.0 Торр. Предельная чувствительность измерения концентрации паров воды составляет 5*10 в 13 на см 3. 5. Построена кинетическая модель прохождения паров воды через хроматографическую колонку, позволяющая рассчитывать разделение орто-пара компонент воды на основе различия коэффициентов адсорбции, длины колонки, давления газа носителя и коэффициента диффузии. Обработка проведенных ранее экспериментов с помощью данной модели позволила определить соотношения коэффициентов адсорбции орто и пара модификаций воды на окиси алюминия, активированном угле и сверхсшитом полистироле МН-200. Построена хроматографическая колонка, в которой качестве адсорбента используется сверхсшитый полистирол МН-200. Предварительные результаты показали перспективность использования данного адсорбента для разделения спин-изомеров воды. 6. Проведен расчет влияния электрического поля вблизи поверхности адсорбента на молекулу воды в зависимости от ее вращательного состояния в рамках теории возмущения второго порядка. Показано, что смещение вращательных уровней энергии, усредненное по всем вращательным состояниям орто и пара спин-изомеров воды, не приводит к изменению энергий адсорбции спин-изомеров. 7. Обоснована возможность пространственной сортировки орто и пара молекул воды при фильтрации водяного пара в нанопористой среде. Указывается на три фактора, которые в сочетании способны произвести сортировку: кнудсеновский характер движения молекул в нанопорах, наличие в порах неоднородных приповерхностных электрических полей и недавно реализованная в экспериментах с молекулярными пучками сортировка молекул воды в неоднородном электрическом поле по вращательным состояниям. 8. Методом диодно-лазерной спектроскопии с временным разрешением 0.1 с исследован процесс диффузии водяного пара внутрь пористого полимерного адсорбента MN-200. Путем декомпозиционного анализа обнаружен каскадный характер диффузии, обусловленный, предположительно, фрактальностью пространства пористой матрицы. Выделен бесстолкновительный (кнудсеновский) режим движения молекул воды в порах, при котором возможна их сортировка по спиновым состояниям. 9. Методом спектрально-селективного детектирования орто и пара молекул воды при пропускании водяного пара через колонку с нанопористым полимерным адсорбентом зарегистрировано отклонение орто/пара отношения от нормального значения 3:1. Предположено, что эффект связан с нестационарностью динамики сорбции, т.е. с неравновесностью хроматографии. В рамках этой модели, фактором спиновой орто/пара селективности является паразитный для идеальной равновесной хроматографии процесс медленной и неодинаковой диффузии спин-изомеров водных молекул внутри адсорбента.
ИОФ РАН | Координатор |
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2006 г.-31 декабря 2008 г. | Экспериментальные исследования орто-пара фаз воды |
Результаты этапа: | ||
2 | 1 января 2007 г.-31 декабря 2007 г. | Экспериментальные исследования орто-пара фаз воды |
Результаты этапа: | ||
3 | 1 января 2008 г.-31 декабря 2008 г. | Экспериментальные исследования орто-пара фаз воды |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".