Статья «ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОФОБНЫХ И ГИДРОФИЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ, "Журнал экспериментальной и теоретической физики"»

На основе феноменологической модели полярных жидкостей рассчитаны силы гидратации между макроскопическими телами на расстояниях L < 3 нм в чистой воде. Показано, что в зависимости от свойств поверхностей тел взаимодействующие поверхности по-разному поляризуют жидкость, а смачивающие свойства поверхностей полностью характеризуются двумя параметрами. Если поверхности гидрофильные, то молекулы жидкости поляризованы перпендикулярно им, а взаимодействие является отталкивающим и короткодействующим (силы взаимодействия экспоненциально убывают на характерной длине Л ~ 0.2 нм). Взаимодействие между гидрофобными поверхностями отличается большим разнообразием и менее изучено. Если при L < 3 нм в его характере имеются универсальные свойства, то при L > 3 нм оно существенно зависит от свойств поверхностей и расстояния между ними, а также от состава полярной жидкости. В полном согласии с имеющимися экспериментами показано, что если границы раздела в основном гидрофобны, то при L < 3 нм взаимодействие является притягивающим и относительно дальнодействующим (Л ~ 1.2 нм). В этом случае результирующая поляризация молекул воды параллельна поверхностям. Показано, что силы гидратации определяются нелинейными эффектами поляризации жидкости в объеме или аналогичной нелинейностью взаимодействия воды с погруженным телом. Это означает, что силы взаимодействия не могут быть правильно рассчитаны в приближении линейного отклика. Силы, действующие между гидрофобными или гидрофильными поверхностями, по природе являются, соответственно, энтропийными или электростатическими. Показано, что гидрофобная и гидрофильная поверхности при L < 3 нм отталкиваются друг от друга. Рассчитанная величина их взаимодействия согласуется с экспериментами. Предсказано существование промежуточного режима, когда тело не может упорядочить молекулы жидкости, что приводит к значительно более слабому и притягивающему взаимодействию, уменьшающемуся обратно пропорционально квадрату расстояния между поверхностями тел. Обсуждается степень отличия микроскопической структуры жидкостей, заключенных в нанообъемах, от жидкостей в больших объемах. Предложенная модель применима для количественного описания свойств воды при температурах T, удовлетворяющих условию 0 < (T - T) /T С 1, где T ~ 230 K - температура сегнетоэлектрического фазового перехода, наблюдаемого в переохлажденной воде. При нормальных условиях модель может быть использована для качественных оценок.