Особенности нано -и микроструктур поверхности кристаллов, полученных из растворов, подвергшихся физическим воздействиям

Юные исследователи окружающей среды.

 

 

СЕКЦИЯ:  Агроэкология

 

 

 

Название работы: 

                                          

Особенности нано -и микроструктур поверхности кристаллов, полученных из растворов, подвергшихся физическим воздействиям.

 

 

                                                        Автор работы:

                                                           Щепетьева Александра,

                                  учащаяся 8 класса

                                                 Место выполнения работы:

                                                           МКОУ «СОШ№14»

                                                         с. Надежда Ставропольского края

                                                           Шпаковского  района

                                                  Научный руководитель:

                                                      Лачинова Фатима Гидаядиновна,

                                                       учитель биологии

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          С. Надежда

                                                 2016г.

 

                                         СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение  ------------------------------------------------------------------3

                                                                      

2. Две гипотезы  о механизме омагничивания  воды---------------------3

 

3. Эксперименты с изотоническими растворами глюкозы 

   (концентрации 5%) и NaCl из ампул заводского производства-------4-5

 

4. Методика и результаты экспериментов по прорастанию семян--------6

 

5. Два типа наноструктур на поверхности кристаллов-----------------------7

 

6.Результаты экспериментов  и их доказательство в свете                                                  

    рассматриваемых гипотез ------------------------------------------------------8-9

 

7.Результаты экспериментов по статическому и динамическому                        

   омагничиванию----------------------------------------------------------------------10

 

8.Результаты экспериментов с глюкозой---------------------------------------11

 

9. Заключение---------------------------------------------------------------------------12

 

10.Список использованной литературы----------------------------------------13

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                      ВВЕДЕНИЕ

В последние годы высказываются гипотезы о том, что различные физические воздействия на воду могут вызывать изменения в структуре системы её водородных связей, в структуре кластеров( группы близко расположенных, тесно связанных друг с другом атомов, молекул, ионов), которые сохраняются достаточно долго - минуты и часы, т.е. значительно дольше, чем характерное время существования водородной связи - 10-16 с. Однако, непонятен механизм столь длительного сохранения этих изменений. Тем не менее, факты наличия этого явления имеют место. В частности, периодически появляются сообщения об устойчивых изменениях свойств воды после её омагничивания .

Данная работа посвящена исследованию вопроса, действительно ли вода и слабые растворы NaCl и глюкозы могут изменять свои свойства на длительное время после различных физических воздействий, которые не меняют их химический состав, но могут изменять их кластерную структуру. В качестве физических воздействий были взяты: омагничивание, кипячение, замораживание-размораживание.

 В качестве индикатора состояния  раствора был использован процесс  кристаллизации растворённого вещества  с последующим исследованием  поверхности получаемых кристаллов с помощью атомно-силового микроскопа.

 

 

2. ГИПОТЕЗЫ О МЕХАНИЗМЕ ОМАГНИЧИВАНИЯ ВОДЫ

В работе  рассматриваются две возможные гипотезы относительно механизма воздействия магнитного поля на воду и слабые водные растворы, которые можно условно назвать магнитостатической и магнитодинамической. Обе они утверждают, что под действием магнитного поля в воде (растворе) образуются некие малоразмерные, долгоживущие структуры, конгломераты. Природу же этих образований гипотезы объясняют по-разному.

1) Магнитостатическая гипотеза заключается в том, что магнитное поле ориентирует атомы кислорода, входящие в состав воды, вдоль своих линий по причине довольно высокой магнитной восприимчивости кислорода. При попадании в магнитное поле магнитные моменты атомов кислорода входящих в молекулы воды, выстраиваются вдоль линий поля, начинают прецессировать и группируются под действием магнитных сил. Это вызывает своеобразное «слипание» молекул воды в достаточно крупные образования (рис.1), которые можно назвать доменами (области самопроизвольной намагниченности). Размер доменов в ферромагнетиках(  это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры).

 имеет порядок 1-100 мкм.

2) Магнитодинамическая гипотеза заключается в том, что при движении потока воды или раствора сквозь магнитное поле на ионы растворённых в воде веществ действуют силы Лоренца, а также силы, ориентирующие магнитные моменты молекул вдоль меняющихся линий индукции магнитного поля. В результате в движущейся воде (растворе) могут образовываться устойчивые микровихри (рис.2) - как плоские, так и тороидальные (при замыкании вихревых трубок). Идея о долгоживущих тороидальных водных микровихрях  была высказана в . Следует отметить, что микровихри могут образовываться также и при кипячении воды и растворов вследствие конвекции. У данной гипотезы есть слабое место, заключающееся в том, что непонятно, почему микровихрь достаточно долго не теряет свою кинетическую энергию вследствие трения об окружающую воду. Ведь не является же вода на его границе сверхтекучей

 

               3.ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ИЗОТОНИЧЕСКИМИ РАСТВОРАМИ                          

                                               ГЛЮКОЗЫ    и NaCl .

 

Основная идея данного исследования заключалась в том, что устойчивые микроструктуры воды, если они существуют, могут влиять на процесс образования кристаллов из раствора (в частности, они могут быть центрами кристаллизации), а значит, и на микро- и наноструктуру получаемых поверхностей кристаллов.. Поэтому, было бы интересно исследовать особенности нано- и микроструктуры поверхности кристаллов, образовавшихся из растворов, подвергшихся омагничиванию и прочим физическим воздействиям, которые не влияют на их химический состав, но могут приводить к образованию в жидкости неких устойчивых микроструктур.

Для экспериментов использовались изотонические растворы NaCl (концентрации 0,9%) и глюкозы (концентрации 5%) из ампул заводского производства. Изотоническими данные растворы называются потому, что их осмотическое давление равно осмотическому давлению крови и тканевых жидкостей человека. Таким образом, с одной стороны, концентрация растворённого в воде вещества не столь велика, чтобы оказать существенное влияние на свойства воды. А, с другой стороны, есть надежда, что изучение физических воздействий на такой раствор сможет продвинуть нас в понимании механизмов воздействия, к примеру, магнитного поля на биологические жидкости организма (кровь и др.).

Я воздействовал на растворы следующими факторами и их комбинациями: омагничивание (путём 5-кратного пропускания с помощью шприца раствора из ампулы в шприц и обратно раствора через пластиковую трубочку, зажатую между двумя магнитами от динамика), кипячение и замораживание-размораживание (рис.3).

   

Рис.3. Физические воздействия на растворы: омагничивание, кипячение и замораживание-размораживание

О возможном механизме воздействия на воду магнитным полем были ранее высказаны две гипотезы. Рассмотрим возможные механизмы двух других видов воздействий.

При кипячении воды или раствора может происходить разрыв водородных связей, и разрушение кластеров вследствие теплового движения молекул, и перемешивания жидкости.

При замораживании жидкости молекулы выстраиваются в особую структуру кристаллов льда, что может разрушать водородные связи , присутствующие в жидком состоянии.

После воздействия капелька раствора наносилась на предварительно тщательно промытую спиртом и дистиллированной водой диэлектрическую (гетинаксовую) подложку размером 8-10 мм. и высушивалась. Образовывались мелкие кристаллики (рис.4).

Сушка проводилась как быстро (с помощью обдува термовентилятором), так и медленно (при комнатной температуре). Быстрая сушка имеет тот недостаток, что происходит нагрев капельки раствора, что может повлиять на структуру кластеров в нём. Поэтому, мыпользовались им только в самом начале исследований. Все манипуляции с растворами проводились с помощью стерильных (одноразовых и каждый раз - новых) шприцов объёмом 5 мл. и пластиковых трубочек. При этом отсутствовал контакт растворов с металлами (например, с иглой шприца, которая предварительно снималась и не использовалась при манипуляциях).

Для сканирования поверхностей полученных кристалликов использовались сканирующие зондовые микроскопы NanoEducator Подложки с кристалликами помещались на предметный столик микроскопа и производилось сканирование участков их поверхностей размером  10000 х 10000 нм. – для исследования микроструктуры поверхности, а затем сканировались различные участки размером 1000 х 1000 нм. внутри данной области, что позволяло рассмотреть наноструктуру этих участков поверхности. Использовались хорошо заточенные зонды. Добротность системы «зонд-пьезотрубка» устанавливалась в пределах от 40 до 110.

4.Методика и результаты экспериментов по прорастанию семян

Коротко опишем методику экспериментов с семенами. В них вода подвергалась тем же воздействиям, что и растворы в данном исследовании. Затем в пластиковые стаканчики помещались по 10 примерно одинаковых семян озимой пшеницы и заливались 2 мл. воды, подвергшейся указанным воздействиям (рис.6). После этого стаканчики закрывались, и семена прорастали 1-2 недели в одинаковых условиях. Кроме того, имелись контрольные семена, прораставшие в воде, не подвергшейся воздействию. После проращивания измерялась длина ростков всех 10 семян в каждом стаканчике с точностью ±1 мм. и вычислялась средняя длина по каждому стаканчику.

 

 

Рис.6. Методика экспериментов с семенами пшеницы: отбор примерно одинаковых семян, проращивание в закрытых стаканчиках с водой, измерение длин ростков

5.ДВА ТИПА НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛОВ

На сканах размером 1000 x 1000 нм. автором обнаружены 2 типа наноструктур на поверхности кристаллов NaCl:

 

1) Широкие и низкие (ширина >200 нм.):

   

 

2) Узкие и высокие (ширина: 100-200 нм.):

     

 

Структуры 2-го типа обнаруживаются, в основном, на вершинах «гор», определённых при первом сканировании участков 10000 х 10000 нм. Для их обнаружения требуется добротность системы «зонд-пьезотрубка» сканирующего зондового микроскопа не менее 60. Интересно, что обнаруживаются структуры 2-го типа не всегда, а лишь в определённых случаях, о которых будет сказано в следующем пункте.

 

6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

И ИХ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО В СВЕТЕ РАССМАТРИВАЕМЫХ ГИПОТЕЗ

Обобщённые результаты экспериментов с растворами NaCl можно видеть в нижеследующей таблице 1. В её клетки вставлены характерные сканы поверхностей кристаллов NaCl из растворов, подвергшихся тем или иным воздействиям и ранее полученные в «Солярисе» данные о прорастании семян пшеницы в воде, подвергшейся аналогичным воздействиям.

На уровне микроструктуры (сканы размером 10000 x 10000 нм. и детали размером >1000 нм.) можно заметить, что:

1) микроструктура поверхности кристаллов  после омагничивания и без  последующего кипячения или замораживания выглядит более «причудливой» (т.е., содержащей много небольших, порядка 2000-3000 нм. элементов);

2) кипячение даёт крупные, монолитные  поверхностные микроструктуры.

Более интересны результаты по наноструктуре поверхности кристаллов. Из таблицы 1 видно, что при тех воздействиях на воду/раствор, после которых на кристаллах часто присутствуют узкие образования шириной 100-200 нм. (без воздействия и после замораживания-размораживания) семена прорастают хуже, чем там, где узкие образования встречаются редко, а чаще присутствуют широкие образования шириной >200 нм. (в основном это наблюдается при омагничивании и отчасти – при кипячении). Замораживание-размораживание омагниченного раствора восстанавливает появление в нём узких образований, т.е., как бы снимает эффект омагничивания. И в воде, подвергшейся заморозке-разморозке семена также прорастают хуже.

Таким образом, результаты двух различных экспериментов (исследование наноструктуры поверхности кристаллов и прорастание семян) в большой степени коррелируют между собой.

Как же можно трактовать эти результаты в свете описанных в п.2 двух гипотез? Можно предположить, что омагничивание и, отчасти, кипячение, порождают в воде и слабых растворах образования размером >200 нм. Замораживание же, выстраивая молекулы воды в кристаллическую структуру льда, разрушает эти образования, независимо от их природы – доменной или вихревой.

 

Таблица 1. Микро- и наноструктура поверхностей кристаллов NaCl в сопоставлении с данными о прорастании семян пшеницы. Размеры сканов: в клетках «микроструктура» – 10000 х 10000 нм., в клетках «наноструктура» - 1000 х 1000 нм.

	Раствор без воздействия (контрольный)	Омагниченный раствор	Кипячёный раствор	Замороженный -> размороженный раствор	Омагниченный -> замороженный -> размороженный раствор	Омагниченный -> кипячёный раствор
Микроструктура поверхности кристаллов NaCl		«Причудливость» структуры	Крупные, монолитные структуры
Нано- структура поверхности кристаллов NaCl	Наличие образований 100-200 нм.	Отсутствие образований 100-200 нм.	Редкое присутствие образований 100-200 нм.	Наличие образований 100-200 нм.	Наличие образований 100-200 нм.	Редкое присутствие образований 100-200 нм.
Прорастание семян	Контрольное	Лучше контрольного	Лучше контрольного	Хуже контрольного	В разных экспериментах – хуже или лучше контрольного	В разных экспериментах – хуже или лучше контрольного