Отредактированная презентация

1. ИЗМЕРЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДНЫХ
СУСПЕНЗИЙ НАНОЧАСТИЦ МЕТОДОМ
ИНТЕРФЕРОМЕТРА
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им М.В.ЛОМОНОСОВА
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра акустики

2. Содержание
1. Введение
2. Исследование взаимодействия нанообъекта
с ультразвуком
3. Акустический резонатор
4. Импедансный метод
5. Резонансный метод
6. Изучение акустических свойств суспензий
наночастиц с помощью бегущей волны
7. Заключение

3. Введение
Некоторые физико-химические свойства кремния (Si) для
применений в биомедицине
• Распространенность (Si – второй после кислорода элемент по
распространенности в земной коре, где его доля составляет около 27 %).
• Биосовместимость (в организме здорового человека весом 50-70 кг
содержится 0.5-1 г Si, что делает его 3-м по содержанию микроэлементом
после железа и цинка).
• Биодеградируемость кремниевых наночастиц (Si в виде наночастиц
растворяется в организме человека ортокремниевой кислоты).
Ортокремниевая кислота является наиболее быстро усваиваемой и
выделяемой формой силиката у людей.
• Доступная технология получения нанопористых форм кремния позволяет
управлять размерами гранул и степенью их пористости.
• Однако, многие формы нанокремния гидрофобны, что затрудняет получение
их водных суспензий и требует дополнительной обработки для придания
материалу гидрофильных свойств.

4. Исследование взаимодействия
нанообъекта с ультразвуком
При взаимодействии УЗ с веществом можно условно выделить
три действия:
 Механическое действие. Связано с деформациями, которые
происходят в результате поочерёдного сгущения и разряжения
частиц среды, вызываемого ультразвуковыми волнами.
 Химическое действие. При захлопывании каверн молекулы
среды движутся с большой скоростью и испытывают взаимное
трение, вследствие чего молекулы могут возбуждаться и
ионизироваться, так как возможен разрыв молекулярных связей.
 Тепловое действие. В результате увеличения колебательного
движения частиц среды, а также захлопывания каверн, в небольших
объёмах выделяется большая тепловая энергия, что приводит к
повышению температуры среды.

5. Исследование взаимодействия
нанообъекта с ультразвуком
Энергия, переносимая ультразвуковым пучком, затухает при
прохождении её через вязкую среду:
(1)
где α – коэффициент затухания по амплитуде.
Коэффициент затухания ультразвуковой волны частоты ω в
коллоидном растворе сферических частиц радиуса a может быть
записан в виде уравнения:
(2)
, где введены обозначения: k = 2πf/c – волновое число, c –
скорость звука в жидкости, μ – коэффициент кинематической
вязкости, ρ0 – плотность жидкости, ρ1 – плотность частиц, C –
объёмная концентрация частиц в растворе.

6. Изменение температуры T раствора, в котором распространяется УЗ-
волна интенсивностью I, может быть рассчитано из уравнения
теплопроводности:
(3)
где – коэффициент температуропроводности, – оператор
Лапласа, α α – коэффицент поглощения УЗ в растворе, ρ0 и сp –
плотность и удельная теплоёмкость жидкости.
(4)
где I – интенсивность УЗИ, W – мощность УЗИ, S – площадь
поперечного сечения ультразвукового пучка.
Исследование взаимодействия
нанообъекта с ультразвуком

7. Акустический резонатор
Резонансные частоты (5)
Добротность резонатора (6)

8. Импедансный метод
ℜ( z)=
R
K
(Cosφ−
U20
U10
)
ℑ(z)=
R
K
Sinφ
K=
U10
U20
+
U20
U10
− 2Cosφ
R= 2000Ом
∣z∣=
R
√K
U10
U 20

9. 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20
0
100
200
300
400
500
600
700
fres
= 1105 kHz
R,Om
f, MHz
Air, Abs(z)
1,00 1,05 1,10 1,15 1,20
-200
-100
0
100
200
300
400
500
fres
= 1102 kHz
R,Om
f, MHz
Air, Im(z)
1,00 1,05 1,10 1,15 1,20
0
100
200
300
400
500
600
Δf=21 kHz
c=1478 m/s
Δf=20 kHz
c=1408 m/s
Δf=19,5 kHz
c=1373 m/s
Δf=20 kHz
c=1408 m/s
Δf=19,5 kHz
c=1373 m/s
R,Om
f, MHz
Water
1,08 1,10 1,12 1,14 1,16 1,18
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Δf=25,4 kHz
c=1788 m/s
Δf=25 kHz
c=1760 m/s
Δf=20,2 kHz
c=1422,1 m/s
Δf=22,4 kHz
c=1577 m/s
R,Om
f, MHz
Glycerol

10. Резонансный метод

11. 1,08 1,10 1,12 1,14 1,16 1,18
7,0
7,5
8,0
8,5
4
3
2
Δf=21 kHz
c=1478,4 m/s
Δf=21,4 kHz
c=1506,5 m/s
Δf=21,2 kHz
c=1492,5 m/s
U,V
f, MHz
Δf=21,2 kHz
c=1492,5 m/s
Water
1
1,08 1,10 1,12 1,14 1,16 1,18
7,8
8,0
8,2
8,4
8,6
8,8
9,0
1
Δf=26,2 kHz
c=1844,5 m/s
Δf=26 kHz
c=1830,4 m/sΔf=25,2 kHz
c=1774,1 m/s
U,V
f, MHz
Glycerol
2
3
4
(7)
α1 = 5,5 м-1, α 2 = 4 м-1, α 3 = 4,5 м-1, α 4 = 2,7 м-1
Табличное значение для f = 1.1 МГц: α = α0f2 = 3 м-1
с, м/с cтеор , м/с
вода 1492,5 ± 15 м/c 1493
глицерин 1820 ± 18 м/с 1920

12. Изучение акустических свойств суспензий
наночастиц с помощью бегущей волны

15. 0 100 200 300 400
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Heating,K
Time, sec
Thermocouple 1
Thermocouple 2
HD SiNWs
0 100 200 300 400 500
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Heating,K
Time, sec
Thermocouple 1
Thermocouple 2
Water
0 100 200 300 400 500
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Heating,K
Time, sec
Thermocouple 1
Thermocouple 2
Doppler 707 Fluid
0 100 200 300 400 500 600
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Thermocouple 1Heating,K
Time, sec
Glycerol

16. 0 20 40 60 80 100
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
2
= 0,11 m-1
Thermocouple 1
Thermocouple 2
Heating,K
Time, sec
Water
1
= 0,19 m-1
0 20 40 60 80 100
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Thermocouple 1
Thermocouple 2
Heating,K
Time, sec
HD SiNWs
1
= 0,22 m-1
2
= 0,34 m-1
0 20 40 60 80 100
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Thermocouple 1
Thermocouple 2
Heating,K
Time, sec
Doppler 707 Fluid
1
= 0,11 m-1
2
= 0,13 m-1
0 20 40 60 80 100
0
1
2
3
4
5
Thermocouple 1
Heating,K
Time, sec
Glycerol
1
= 5,1 m-1

18. Заключение
1. Были проведены измерения скорости звука и
коэффициента поглощения в резонаторе.
Использовался резонансный и импедансный метод.
Однако при измерении влияния наночастиц на
нагрев суспензии при использовании резонатора
возникают трудности, связанные с нагревом от
излучателя. Поэтому был использован метод, где
поверхность излучателя отделена от изучаемой
жидкости.
2. Была создана установка для измерения нагрева
суспензий наночастиц. Показано, что на начальном
участке по времени 100с температура нарастает
линейно. По измеренной зависимости можно
вычислить коэффициент поглощения.

19. Кое-что интересное
Какие еще бывают резонаторы?
http://baseacoustica.ru/jenciklopedija/6-zvuk/39-akusticheskie-
rezonatory.html
http://avtozvuk-info.ru/izgotovlenie-sabvufera/rezonatory-akusticheskie-406
http://www.bluesmobil.com/shikhman/arts/helmhlz.htm