[論文レビュー] Water-induced self-oscillatory processes in colloidal systems by the example of instant coffee

Tatiana Yakhno, V. G. Yakhno|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2016

Chemical and Physical Studies参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、インスタントコーヒーをモデルとして用い、水の誘導による自己振動的挙動をコロイド系で明らかにした。周期的な水和物被膜を有する液晶構造の形成と崩壊が、物理化学的性質の持続的変動を引き起こす。振動は浸透圧によって制御されており、低浸透圧では水和物の成長、高浸透圧では崩壊が起こる。実験と数学的モデルの両方で確認された。

ABSTRACT

Slow long-lived fluctuations of mechanical properties of drying drops of instant coffee water solutions have been found by means of the Drying Drop Technology developed earlier. Parameters of the fluctuations depended on the extent of dilution and were not affected by additional hashing of the solution, closing by a cover and shielding from external electromagnetic fields [1-3]. Here we compared dynamics of physicochemical and morphological processes in bulk. We observed microscopically periodic emergence, growth, aggregation and disappearance of spherical cavities (50-250 micrometers in diameter) in bulk of dispersion, which was followed by agreed fluctuations of physicochemical parameters of the colloidal system. We have shown that those spheres were huge hydrate covers of liquid crystal water around colloidal particles. Phase transitions between free and bound (liquid crystal) water in a bulk of a colloidal system is a pacemaker of fluctuations of its physicochemical properties. These changes are regulated and coordinated by the value of osmotic pressure. At low osmotic pressure hydrate covers grow, forcing out particles and ions into the bulk; at high osmotic pressure they collapse to small size, reducing osmotic pressure. Existence of self-oscillatory processes was confirmed by a mathematical model.

研究の動機と目的

• 乾燥中のインスタントコーヒー溶液の機械的性質における遅い、長期間にわたるフラクチュエーションを調査すること。
• これらのフラクチュエーションが外部の干渉ではなく、内在的なコロイドプロセスに起因するかどうかを特定すること。
• ボリュームコロイド分散における周期的な形態的および物理化学的変化の物理的起源を特定すること。
• コロイドにおける自由水と閉じ込められた（液晶）水の相転移を制御する浸透圧の役割を確立すること。
• 実験観察された自己振動的挙動を、システムの数学的モデルによって検証すること。

提案手法

• 乾燥ドロップ技術を用いて、乾燥中のインスタントコーヒー溶液における機械的性質のフラクチュエーションをモニタリングした。
• 光学顕微鏡を用いて、ボリューム分散内に周期的に出現・成長・凝集・消失する球状空洞（50–250 µm）を観察した。
• コロイド粒子周囲の自由水と閉じ込められた液晶水の相転移のダイナミクスを分析した。
• 希釈、撹拌、環境遮断の影響を測定して、フラクチュエーションパラメータに及ぼす影響を分離し、内在的メカニズムを特定した。
• 浸透圧フィードバックによって駆動される自己振動的挙動をシミュレート・確認する数学的モデルを開発した。
• 物理化学的パラメータの変化と形態的変化を関連付けることで、振動サイクルにおける因果関係を確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乾燥中のインスタントコーヒー溶液における機械的性質の遅い、長期間にわたるフラクチュエーションの原因は何か？
• RQ2 これらのフラクチュエーションは外部要因によるものか、それとも内在的なコロイドプロセスによるものか？
• RQ3 ボリューム分散内で観察された周期的な球状空洞の物理的性質は何か？
• RQ4 浸透圧は、コロイド粒子周囲の水和物被膜の成長と崩壊をどのように制御するか？
• RQ5 観察された自己振動的挙動は理論的モデルによって説明可能で、検証可能か？

主な発見

• インスタントコーヒー分散のボリューム内に、50–250 µmの直径を有する周期的な球状空洞が繰り返し形成・消失し、自己組織的プロセスを示した。
• これらの空洞は、コロイド粒子を取り囲む大型の水和物被膜であると特定された。
• 物理化学的性質のフラクチュエーションは、振動、被覆、電磁的遮断などの外部干渉とは独立していた。
• 低浸透圧では水和物被膜が成長し、粒子やイオンがボリューム中に放出された。高浸透圧では被膜が崩壊し、浸透圧が低下した。
• 水の相転移と浸透圧のフィードバック機構が、持続的自己振動を生じさせた。
• 数学的モデルにより、これらの自己振動的プロセスの存在とダイナミクスが確認され、実験的観察が妥当であることが検証された。