УДК:535.373.2,537.623.5

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК ВОДЫ В ПОРАХ ФРАКТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА

, ,

Экспериментально изучалась методом упругого рассеяния света структура пленок алюминия погруженных в водный раствор наночастиц серебра. Регистрировалась последовательность угловых зависимостей интенсивности рассеянного света. Структура пленок при описывалась в терминах их фрактальной размерности Ds. Экспериментальные зависимости сопоставлялись с результатами исследований поверхностей пленок анодированного алюминия методами АСМ микроскопии.

рассеяние света, фрактальная размерность, анодированный алюминий, атомно-силовая микроскопия, вода, наночастицы серебра

ВВЕДЕНИЕ

Изучение структуры воды является одной из актуальных задач современной физики. В последнее время вода рассматривается как среда, имеющая кластерное строение, причем некоторые современные исследования доказывают фрактальное строение водных и водно-органических кластеров. Ранее были получены результаты, подтверждающие структурирование воды вблизи фрактальной поверхности[1]. Однако осталась невыясненной структура воды в порах поверхности анодированного алюминия.

Для исследований в данной области применяются различные методы. Наряду с методами атомно-силовой (АСМ) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), простым и доступным является метод исследования структуры поверхности и объема с помощью малоуглового рассеяния света.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе исследовалась структура пограничного слоя водных растворов наночастиц коллоидного серебра Ag2Ag+ (радиус частиц 20 нм) в порах тонких пленок анодированного алюминия (Al2O3). Предварительно образцы подвергались электролизу в 15%-ном растворе серной кислоты с различным временем выдержки. Число пор на единицу площади зависит от плотности тока анодирования как

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

(1)

, ,

где составляет 176×109 см-2 и α = 0,335 [2]. Плотность тока анодирования составляла 2А/дм2, что позволило создать регулярную ячеистую структуру, перпендикулярную поверхности со средним диаметром пор 43 нм.

Оптическая схема установки для регистрации угловых зависимостей упругого рассеяния света при анодировании пленок, собранная на базе гониометра «ЛОМО», приведена на рис. 1. Луч гелий-неонового лазера (0,63 мкм) мощностью около 1 мВт с контролируемой ориентацией поляризации света использовался в качестве зонда при измерениях в отраженном свете. Диаметр светового пятна на поверхности образца составлял около 1 мм. Рассеянный свет регистрировался фотоэлектронным умножителем, работающим в режиме счета фотонов. Интенсивность рассеянного света рассчитывалась с использованием 32-битного 282-канального коррелятора «Photocor-FC», подключенного к компьютеру. Измерения интенсивности рассеянного света производились с шагом 1о.

 

Рис. 1 Оптическая схема установки для регистрации угловых зависимостей интенсивностей рассеянного света
 
 

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Зависимость интенсивности света, рассеянного на фрактальной поверхности, от вектора рассеяния описывается формулой:

~ , (2)

где q = 4p/ λ sin (q /2) – вектор рассеяния, λ – длина волны света, q – угол рассеяния[3]. При рассеянии на “массовых” фракталах параметр m равен фрактальной размерности D, при рассеянии на фрактальной поверхности m=6-D, где D - фрактальная размерность поверхности. Строя зависимость I(q) в логарифмических координатах, по углу наклона полученной прямой находим фрактальную размерность:

(3)

. .

В первой серии экспериментов исследовалась структура сухой поверхности анодированного алюминия методом малоуглового рассеяния света и АСМ микроскопии.

Результаты эксперимента приведены на (рис. 2, 3).

 

Рис. 2 Скан поверхности алюминия при времени анодирования 50 мин с вычисленной фрактальной размерностью методом АСМ микроскопии
 
 

 

Рис. 3 График зависимости интенсивности рассеянного света от вектора рассеяния с поверхности Al2O3 (время анодирования 50 мин)
 
 

Во второй серии экспериментов исследовалась структура тонких пленок воды методом малоуглового рассеяния света. Луч гелий-неонового лазера распространялся вдоль поверхности образца анодированного алюминия, на который была нанесена тонкая пленка раствора наночастиц коллоидного серебра. Температура раствора составляла 19ºС.

Рассчитанная фрактальная размерность молекулярной системы составила 2,49, что свидетельствует о влиянии поверхности на структуру приграничного слоя жидкости. Фрактальная размерность гомогенного раствора составляет 3,00. Полученные результаты носят предварительный характер и требуют дальнейших исследований в широком диапазоне температур и поверхностей с различными параметрами пор.

D = 2,49
 

Рис. 4 График зависимости интенсивности рассеянного света от вектора рассеяния с поверхности пленок раствора Ag2Ag+
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью экспериментов по измерению угловых зависимостей рассеяния света с поверхности анодированного алюминия показано, что с увеличением времени анодирования увеличивается фрактальная размерность поверхности. Результаты эксперимента совпадают с измеренными значениями D методом АСМ-микроскопии. Следует отметить, что разработанный метод исследования структуры поверхностей в сочетании с предложенной математической обработкой результатов измерения света – прост в реализации и универсален.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Брюханов фрактальных наноструктур в объеме и на поверхности конденсированных сред /, И. Г Самусев, //Известия КГТУ. – 2003. - № 4. - С. 126–134.

2. Бодунов эффективной размерности пространства с глубиной проникновения люминофоров в поры твердых тел / , C. Берберан-Сантос // Хим. физ. - 2002. - Т.21, №3. - С.32-46.

3. Шур фрактальной поверхности аморфных пленок цирконата - титана свинца при кристаллизации/ , // ФТТ. – 1999. - Т.41, вып.2.

ANODIZED FILMS FRACTAL SURFACE EVOLUTION

А. М. Ivanov, D. V. Vasilyev, N. A. Myslitskaya

Aluminium films surface destruction kinetics has been measured by means of light scattering methods. Scattered light intensity angle dependence was registered in our work. The surface fractal dimension was estimated from the intensity angle dependence which was compared with AFM-microscopy measures.