[논문 리뷰] Water-induced self-oscillatory processes in colloidal systems by the example of instant coffee

Tatiana Yakhno, V. G. Yakhno|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 14.

Chemical and Physical Studies참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 즉석 커피를 모델로 사용하여 콜로이드 시스템에서 수분에 의한 자가진동 행동을 규명하였으며, 수화물로 뒤덮인 액정 구조의 주기적 형성과 붕괴가 물리화학적 성질의 지속적인 변동을 이끈다. 이 진동은 삼투압에 의해 조절되며, 낮은 삼투압에서는 수화물 성장이 일어나고 높은 삼투압에서는 붕괴되며, 실험과 수학적 모델을 통해 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 즉석 커피 용액의 건조 과정에서 발생하는 느린, 장수명의 기계적 성질 변동을 조사하기 위해.
• 이러한 변동이 외부 요인의 영향이 아닌 내재된 콜로이드 과정에 기인하는지 확인하기 위해.
• 거대한 콜로이드 분산계에서 주기적인 형태 변화 및 물리화학적 변화의 물리적 기원을 규명하기 위해.
• 콜로이드에서 자유수와 결합된(액정 상태의) 수분 간의 상전이를 조절하는 삼투압의 역할을 규명하기 위해.
• 관측된 자가진동 행동을 수학적 모델을 통해 검증하기 위해.

제안 방법

• 즉석 커피 용액의 기계적 성질 변동을 모니터링하기 위해 건조 드롭 기술을 사용하였다.
• 대부분의 분산계에서 구형 공극(50–250 µm)의 주기적 출현, 성장, 응집, 소멸을 관찰하기 위해 광학 현미경을 사용하였다.
• 콜로이드 입자 주변에서 자유수와 결합된 액정 상태의 수분 간 상전이의 역학을 분석하였다.
• 혼합, 희석, 환경 차단 등의 영향을 측정하여 변동 매개변수에 미치는 영향을 분리함으로써 내재된 메커니즘을 규명하였다.
• 삼투압 피드백에 의해 유도되는 자가진동 행동을 시뮬레이션하고 확인하기 위한 수학적 모델을 개발하였다.
• 형태 변화와 물리화학적 매개변수의 변화를 연관지켜 진동 사이클에서 인과관계를 확립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 즉석 커피 용액의 기계적 성질에 대한 느리고 장수명의 변동은 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 이러한 변동은 외부 요인에 의해 유도되는가, 아니면 내재된 콜로이드 과정에 기인하는가?
• RQ3 대부분의 분산계에서 관찰된 주기적인 구형 공극의 물리적 성질은 무엇인가?
• RQ4 삼투압은 콜로이드 입자 주변의 수화물 코팅의 성장과 붕괴를 어떻게 조절하는가?
• RQ5 관측된 자가진동 행동은 이론적 모델로 설명되고 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 즉석 커피 분산계의 대량에서 50–250 µm의 지름을 가진 주기적인 구형 공극이 반복적으로 형성되고 사라지며, 자가조직화 과정임을 시사한다.
• 이 공극들은 콜로이드 입자를 둘러싼 액정 상태의 수화물 코팅으로 확인되었다.
• 물리화학적 성질의 변동은 흔들림, 덮개, 전자기 차단과 같은 외부 요인과 무관하게 발생하였다.
• 낮은 삼투압에서는 수화물 코팅이 성장하여 입자와 이온이 대량으로 밀려나가고, 높은 삼투압에서는 붕괴되어 삼투압이 감소한다.
• 수분의 상전이와 삼투압 간의 피드백 메커니즘이 기반으로 하여 지속적인 자가진동이 발생한다.
• 수학적 모델은 이러한 자가진동 과정의 존재성과 역학을 확인하여 실험 관측 결과를 검증하였다.