[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过速溶咖啡作为模型，揭示了胶体系统中水诱导的自振荡行为，其中水合物覆盖的液晶结构周期性形成与坍塌，驱动了物理化学性质的持续波动。该振荡由渗透压调控，低渗透压时水合物生长，高渗透压时坍塌，实验与数学模型均证实了这一点。

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.

研究动机与目标

• 研究干燥速溶咖啡溶液中机械性能的缓慢、长期波动现象。
• 确定这些波动是否源于内在胶体过程而非外部干扰。
• 确定块体胶体分散体系中周期性形态与物理化学变化的物理本质。
• 确立渗透压在调控胶体中自由水与束缚水（液晶）相变中的作用。
• 通过数学模型验证观察到的自振荡行为。

提出的方法

• 采用干燥滴技术监测干燥速溶咖啡溶液中机械性能的波动。
• 利用光学显微镜观察块体分散体系中球形空腔（50–250 µm）的周期性出现、生长、聚集与消失。
• 分析胶体颗粒周围自由水与束缚液晶水相变的动力学。
• 通过测量稀释、搅拌与环境屏蔽对波动参数的影响，以分离内在机制。
• 建立数学模型以模拟并确认由渗透压反馈驱动的自振荡行为。
• 将物理化学参数的变化与形态变化相关联，以确立振荡周期中的因果关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 干燥速溶咖啡溶液中机械性能的缓慢、长期波动由何引起？
• RQ2 这些波动是由外部因素还是内在胶体过程驱动？
• RQ3 在块体分散体系中观察到的周期性球形空腔的物理本质是什么？
• RQ4 渗透压如何调控胶体颗粒周围水合物覆盖层的生长与坍塌？
• RQ5 观察到的自振荡行为能否通过理论模型加以解释并验证？

主要发现

• 在速溶咖啡分散体系的块体中，直径为50–250 µm的周期性球形空腔反复形成与消失，表明存在自组织过程。
• 这些空腔被识别为包裹在胶体颗粒周围的大型水合物覆盖层，由液晶水构成。
• 物理化学性能的波动独立于外部干扰（如摇晃、遮盖或电磁屏蔽）。
• 在低渗透压下，水合物覆盖层生长，将颗粒与离子排入本体相；在高渗透压下，覆盖层坍塌，降低渗透压。
• 振荡循环由水相变与渗透压之间的反馈机制驱动，形成持续的自振荡。
• 数学模型证实了这些自振荡过程的存在与动力学特性，验证了实验观测结果。