Nano-osakeste tekkimine vee pritsimisel H. Tammet ja U. Hõrrak

1. Nano-osakeste tekkiminevee pritsimisel H. Tammet ja U. Hõrrak XXXIX Eesti füüsikapäevad, Tartu 2009

2. Ajaloost: Annalen der Physik 1892 Bratislava ungarlanePhilipp Eduard Antonvon LénárdNobeli laureaat 1905 On ammu tuntud, et kosed laevad õhku enda ümbruses negatiivse elektriga Christiansen võttis 1913. a. kasutusele termini balloelektriline efekt, mis tähistab ruumlaengu tekkimist õhus vee pritsimise tulemusena. Uurimise algperioodil sai selgeks nähtuse fenomenoloogia ja laengu eraldumise mehhanism tilkade välja rebimisel vedeliku pinnal olevast elektrilisest kaksikkihist. Laengukandjate suurus ja nende tegelik tekkemehhanism jäid selgusetuks.

3. Laboratooriumis tekitatud balloelektriliste osakesteelektrilise liikuvuse mõõtis esimesena rahuldava täpsusegaSeville Chapman Berkeley Ülikoolis: • Chapman, S.: Carrier mobility spectra of sprayelectrified liquids,Phys Rev., 52,184–190,1937. • Chapman, S.: Carrier mobility spectra of liquids electrified by bubbling,Phys. Rev., 54, 520–527, 1938. • Chapman, S.: Interpretation of carrier mobility spectra of liquids electrified by bubbling andspraying,Phys. Rev., 54, 528–533, 1938. Chapman, nagu tema eelkäijadki, oletas spekulatiivselt, et osakesed kannavadühtainust elementaarlaengut, mispuhul mõõdetud liikuvusele vastaks osakese diameeter 2−3 nm. Hilisemad uuringud seadsid selle oletuse kahtluse alla.

4. Kriitiline küsimus: kuidas lubab vee pindpinevus algselt suuri tilku lõhkuda paarinanomeetrilisteks osakesteks? NB: Balloelektriline efekt esineb ka loodusliku vihma korral. Suurte vihmatilkade langemiskiirus on 6-7 m/s. Kui kineetiline energia muuta 100% ühtlaste fragmentide pinnaenergiaks, siis oleks olenevalt fragmendi diameetrist tarvis algkiirust: Enegiabilanss välistab kogu tilga pihustamise nanotilkadeks aga ei välista siiski väikese arvu nanotilkade tekkimist. Vee pihustamine mikroskaalas on paraku raskelt uuritav protsess ja oletatavate nanotilkade tekkimise konkreetne mehhaanika on tänaseni peaaegu tundmatu.

5. John B. Fenn sai 2002 Nobeli preemia vedeliku elektrilise pihustamise teel lahustatud ainete ioonide tekitamise meetodite uurimise eest.(ESI = electrospray ionization) ESI populaarsus motiveeris kuloniselt ebastabiilse tilga lagunemise uurimist. Fragmendid on väiksemad kui mehaanilise pihustamise korral, kuid nad on paljukordselt laetud.

6. Rayleigh piirlaeng Pool Rayleigh piirlaengut Üks elementaarlaeng Kindla liikuvusega tilgad võivad olla erineva suurusega

7. Läbimõõt = f (laeng, liikuvus)Esimene küsimus:Kas balloelektrilised osakesed on ühekordselt või mitmekordselt laetud?

8. Neutraliseerimiskatse põhimõte: Ühekordselt laetud osakesed:Kontsentratsioon kahaneb,kuid liikuvus ei muutu. Paljukordselt laetud osakesed:Numbriline kontsentratsioon ei muutu,liikuvus ja laengukontsentratsioon kahanevad ühevõrra.

9. Neutraliseerimiskatse BSMA Balloelektriliste osakeste liikuvusjao-tustvahemikus 0.032 - 3.2 cm2V-1s-1(ühe elementaarlaenguga osakeste läbimõõt 0.4 - 7.5 nm) mõõdeti BSMA (Balanced Scanning Mobility Analyzer) abil. Vihma imiteerivpeen veejuga lagunes tilkadeks, mis põrkusid vastu keraamilist plaati. Ioonid liiguvad ka analüsaatori sees mõjustusteta välisõhus Neutraliseerivaid klasterioone (läbimõõt alla 1 nm) genereeritiSr-90 preparaadist lähtuva ja alumiiniumlehtede abil reguleeritavakalgi beetakiirguse abil. Tilkadeks lagunenud veejuga Vee kulu: 55 cm3/s, kiirus düüsis: 11 m/s, ekvivalentne vihm: 36 mm/h

10. Laengukontsentratsiooniga võrdelist liikuvuse kahanemist ei saa täheldada dn /d (log Z)cm-3 Neutraliseerivate klasterioonidekontsentratsioon cm-3 Vanemad osakesed on väiksemaks aurunud Klasterioonid Vanemad osakesed on neutraliseeritud ja siin neid ei ole Suurem liikuvus → väiksem läbimõõt

11. Tulemus:Balloelektrilised ioonid on valdavalt ühekordselt laetud nanomeeterosakesed

12. Teine küsimus:vesi või kuivjääk ?

13. Vee kuivainesisaldus: • vihmavesi 10 mg/l • Tähe 4 veevärgivesi 550 mg/l • Siit järeldus: veevärgivee tilkade kuivjääkide diameeter peaks olema 3-4 korda suurem, kui vihmaveetilkade puhul. • Võrdleme… • 1. Looduses tehtud mõõtmiste andmestik:FINESTION-2003-2006(Neli aastat pidevaid mõõtmisi kolmes vaatluskohas) • 2. Laboratoorsed katsed Tähe 4 veevärgiveega

14. Sademed Tartu linn, Tähe 4 katuse kohal, 23oktoober 2006

15. Hyytiälä, 6 detsember 2006Temperatuur+5.0…+8.5 ºC ja suhteline niiskus 83…96% läbi ööpäeva.

16. Negatiivsete ioonide liikuvusjaotus Hyytiäläsolenevalt vihma intensiivsusest

17. Negatiivsete ioonide liikuvusjaotus Tartusolenevalt vihma intensiivsusest

18. dn /d (log Z)cm-3 Neutraliseerivate klasterioonidekontsentratsioon cm-3 Vanemad osakesed on väiksemaks aurunud Klasterioonid Vanemad osakesed on neutraliseeritud ja siin neid ei ole Korduspilt: katsed Tartu veevärgiveega

19. Ühendatud diagramm: sinine – looduslik vihm Hyytiäläs, roheline – Tartus, punane –veevärgivee pritsimine laboratooriumis

20. Tulemus:Balloelektriliste ioonide läbimõõt ei sõltu oluliselt vee kuivainesisaldusest ja nad ei ole ilmselt kuivanud tilkade tahked jäägid

21. PARADOKS

22. Kineetilise teooria kohaselt peaks 2.5nm läbimõõduga veetilgad 10ºC ja 100% niiskuse tingimustes täielikult auruma vähem, kui 1 μs jooksul.See on 7 suurusjärku lühem aeg, kui kulub osakeste jõudmiseks vee pritsimise kohast mõõtmisaparaati ja 5 suurusjärku lühem, kui aparaadi läbimise aeg. Kui ülaltoodud 1 μs hinnang vastaks tegelikkusele, siis oleks 2.5nm osakeste kontsentratsioon kirjeldatud eksperimentides sügaval allpool aparatuuri tundlikkuse läve.

23. Järeldus:Balloelektrilised ioonid ei koosne vedelast veest

24. Vaakumisse soojusvahetuseta auruvad nanotilgad jahtuvad temperatuurini -70 kuni -80oC. Atmosfääriõhus on 3 nm tilga Knudseni arv 20 ja õhk nanotilga mõõtkavas peaaegu vaakuum. Soojusvahetust ümbritseva õhuga ei saa osakeste ca 10 sekundilise eksistentsi tingimustes siiski ignoreerida.

25. Chaplin’i superklastrid?

26. Vee molekulide arv: n = (πρd3 / 6) / (18 u) n = 280 puhul on d = 2.52 nm. Massispektromeetrias tuntud maagiliste veeklastrite maksimum on n = 21. Chaplin konstrueeris klastreid Hyperchem arvutus-mudeli abil ja ei teinud ise eksperimente. Ta otsis arvutustele kinnitust vaid vedela vee röntgen- ja neutrondifraktsiooni-analüüsi tulemustest. Chaplin’i maagiline ikosaeeder sisaldabn = 20×14 = 280veemolekuli. NB: tsiteeritud ainult 35 korda http://www.lsbu.ac.uk/water/index2.htmlhttp://www.martin.chaplin.btinternet.co.uk/clusters.html

27. Klasterioonide ja balloelektriliste ioonide liikuvusjaotus. Punane = positiivne, sinine = negatiivne, Tähed A, B, C ja D märgivad neutraliseeriva ionisatsiooni taset

28. Balloelektriliste ioonide liikuvusjaotus laborikatsetes. Punane = positiivne, sinine = negatiivne, Tähed A, B, C ja D märgivad neutraliseeriva ionisatsiooni taset Pika elu jooksul väiksemaks aurunud Värsked nano-osakesed 280

29. PilteChaplini veebist: Stabiilne superklaster Pika aja kestel võibka superklaster laguneda

30. Järeldus:?

31. Üksikasjadega tutvumiseks soovitame: NB: see ajakiri(impact factor = 4.865)on veebis piiranguteta loetav

32. Täname tähelepanu eest !