Введение к работе
Актуальность темы. То, что дисперсные системы (коллоиды, суспензии и т.п.) являют собой "мир обойденных вел мин" (Во. Оствальд), т.е. скрывают в себе специфические и важные свойства и явления, отличающие эти системы от "мира атомов и молекул" и "иігра макроскопических, тел" - было осознано на рубеже XIX и XX веков. Особо актуальными стали эти свойства и явления после громадных успехов биохимии клетки и ряда тонких промышленных технологий. Несмотря на то, что теперь, к концу XX века, можно говорить ухе о 'мире опознанных величин" (5.0вчарен-ко) в этом"ыире" до последнего времени еще оставались неопознанными некоторые фундаментальные свойства. Если заряд коллоидных частиц, обуславливающий, среди прочего, поступательное движение в электрическом поле (электрофорез), был открыт без малого два века тому назад, то гигантский постоянный дипольний момент коллоидных частиц, обуславливающий, среди прочего, вращательный электрофорез, был открыт с участием автора липь несколько десятков лет тому назад. Поскольку гигантский электрический диполь создает в кпдкости сильное- нецентральное поле (дополнительное к кулоновскоыу поло заряда) все явления взаимодействия коллоидных частиц (з биологии, технологии и т.д.) долхны рассматриваться с учетом этих дипольних полей. Актуальность этого факта не нуэдается в обосновании.
Другим, ныне "опознанным", фундаментальным свойством коллоидов является обнаруженный на/ли у частиц ряда ароматических веществ (диэлектриков и диамагкетиков) постоянный магнетизн, названный аромагнетизмом. Само существование неспиновой постоянной намагниченности является фактом совершенно неожиданным и необычным. Представляется, что уже по одной этой причине исследование аромагнеткзма является актуальным.
Цельа работы является, во-первых, разработка и реальное воплощение новых методов исследования электрических и магнитных свойств коллоидных частиц. При этом была принята следующая стратегия работы: ке жалеть никаких усилий для создания сколь угодно трудоемкой и сложной методики, если она способна соэ-
дать максимально простые и ясные физические условия опытов и позволит интерпретировать экспериментальные результаты однозначно, количественно и совершенно достоверно. При этом мы ставили своей задачей использовать несколько независимых методов для доказательства исчерпывающей достоверности получаемых результатов.
Во-вторых, целью работы было нахождение таких электрических и магнитных особенностей коллоидных частиц, которые бы в относительно малой степени зависели от химизма коллоидной системы. Иными словами - развить коллоидную электро- и магнитооптику, как главу коллоидной физики, а не коллоидной химии. Для отого опыты были проведены с весьма большим количеством разнообразных коллоццных частиц в большом наборе дисперсионных сред.
В третьих, мы ставили своей целью обосновать полученные (в электрооптике) результаты теоретическим (машинно-вычислительным) образом, для чего использовался метод Монте-Карло на моделях коллоидных частиц покрытых реалистическими молекулами вода (модель ST - 2 , Стиллшиукера).
Научная новизна. Содержащиеся в диссертации доказательства существования (наряду с электрическим зарядом) громадного постоянного электрического дипольного момента коллоидных частиц в полярных средах (и, прежде всего, в воде), его.универсальности, величины и направления, являются в научном отношении совершенно новым; это, в частности, подтверждается как научное открытие государственной регистрацией этих исследований (1988 год).
Открытый нами новый вид магнетизма - аромагнетизм, т.е. неспиновая постоянная намагниченность коллоидных частиц ряда ароматических веществ - явление, отличающееся на только научной новизной, но и неожиданностью результата, и нетривиально— стыл теоретической интерпретации, на которую можно надеяться в будущем.
Сформулируем основные результаты в виде следующих положений, которые выносятся на защиту:
-
Разработан ряд методов электро- и магнитооптики коллоидов, создан комплекс оригинальной аппаратуры для исследования электрических и магнитных свойств коллоидных частиц.
-
Наряду с методами, чувствительными только к анизотропии электрической поляризуемости частицы, впервые созданы методы, чувствительные только к ее постоянному электрическому дипольному моменту. В рамках единого опыта стало возмокным изучать и измерять эти величины по-отдельности.
-
Дан ряд независимых экспериментальных доказательств существования фундаментального свойства коллоидных частиц - их гигантского постоянного ьлектрического диполя, объясняемого односторонней ориентацией полярных молекул на поверхности частицы. Исследованы коллоидные суспензии свыше 100 различных веществ
(в том числе ряд бактерий, бактериофаг) в более чем 30 дисперсионных средах.
-
Установлена поверхностная природа электрического диполя и его продольность. Показана универсальность явления образования диполя и определена его удельная величина. Доказано, что удельный диполь не зависит от природы частицы, а определяется только природой полярного растворителя. Доказано, что у частиц в неполярной дисперсионной среде диполь отсутствует.
-
Численным экспериментом на ЭВМ (методом Монте-Карло) для ряда моделей частиц, покрытых реалистическими моделями молекул воды (модель Стиллиндкера) доказано образование гигантских диполей, как у выпуклых частиц, так и у пор в мембранах ("обратных" частиц).
-
Открыт новый вид магнетизма, названный аромагнетизмом: частички ряда ароматических веществ, являющихся диэлектриками и анизотропными диамагнетиками, обладают постоянным магнитным моментом, направленным перпендикулярно к оси наибольшей диамагнитной восприимчивости. Существование аромагнитного момента доказано несколькими независимыми экспериментальными методами.
-
Доказана объемная природа аромагнитного момента; его удельная величина имеет одинаковый порядок для всех аромагнит-шх веществ. Высказано предположение, что объяснение природы открытого явления аромагнетизма лежит на уровне квантовой
электродинамики.
Практическая значимость. Результаты открытия электрического и магнитного диполя имеют нєсоїлшннос значение для коллоидной и биологической химии, в особенности в тех аспектах,когда наряду с центральними силами взаимодействия между частицами необходимо учитывать ориентациош-ше силы, связанные с дипольними полями частиц и их взаимодействиями с диполями частиц.
Чрезвычайно существенна универсальность открытого электрического диполя и достаточная распространенность магнитного диполя. Следует считать, что открытые явления в ряде случаев приведут к поправкам в теории устойчивости коллоидных систем.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены: на ІУ Всесоюзной конференции по коллоидной химии (Тбилиси, 1958г.), на Ш,1У,У1 и УП Всесоюзных конференциях по поверхностным силам (Москва, 1966г., 1969г., 1976г., 1980г.), на Всесоюзном семинаре по теме "Состояние и роль воды в живом организме" (Ленинград, 1967г.), на Международном биофизическом конгресса(Австрия, Вена, 1966г.),на Всесоюзной конференции по физике жидкого состояния вещеетьа (Самарканд, 1974г.), на Всесоюзном симпозиуме по поверхностным явлениям в жидкостях и кидких растворах (Ленинград, 1971г.), на Всесоюзных совещаниях "Свойства жидкостей в малых объемах" (Киев, 1962г., 1986г., 1988г.), на Всесоюзном семинаре по теории поверхностных явлений (Ленинград, 1978г.); на научных семинарах: в Физико-техническом институте им.Иоффе АН СССР (Ленинград), в НИИ Физики ЛГУ (Ленинград), в ФИАНе им.Лебедева (Москва), в Институте физических проблем им.С.И.Вавилова АН СССР (Москва), в институте Электрохимии им.брумкина АН СССР (Москва) и в других организациях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из двух разделов. В первом разделе ("Электрооптика дисперсных систем") -три части, включающие восемь глав. Во втором разделе ("Магнитооптика дисперсных систем") - две части и четыре главы. В конце каждой части и каждого раздела приведены выводы. Список литературы содержит 207 наименований. Общий объем диссертации 342 страницы, включая 102 рисунка и 15 таблиц.