Группа российских исследователей под руководством профессора МГУ и заведующей лабораторией ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН Ольги Виноградовой разработала теорию, которая по-новому описывает ситуацию с транспортом жидкости, текущей вдоль поверхности под воздействием электрического поля. Полученные результаты в будущем смогут быть использованы в научных исследованиях в физике, химии и биологии, а также во множестве практических приложений, включая медицину и фармацевтику. Статья о работе была опубликована в последнем номере одного из лучших мировых журналов по физике — Physical Review Letters (импакт-фактор — 7,8).
Доктор медицины и хирургии, заслуженный профессор химии Московского университета; родился в Тюбингене 8 февраля 1778 года, первоначальное научное образование получил под руководством своего отца, тоже ученого. В 1801 году переехал в Геттинген и здесь получил степень доктора медицины и хирургии и звание приватного преподавателя медицинской химии. В это время он уже был известен в ученом мире химическим исследованием лимфы и млечного сока лошади; вероятно, благодаря этому труду Рейс приглашен был в Московский университет экстраординарным профессором медицинской химии (1803 год). Кроме университета он много лет читал лекции в Московском отделении Медико-хирургической академии (1817–1839 годы), которое оставил со званием почетного члена и академика (24 февраля 1828 года). Состоя непременным секретарем (с 1804 года), а впоследствии — председателем (с 1822 года) Физико-медицинского общества при Московском университете, Рейс принимал весьма близкое участие в деятельности этого общества, постоянно докладывая в его заседаниях о своих научных трудах. В числе многих открытий, сделанных им в области медицинской химии, первое место, несомненно, принадлежит наблюдаемому им движению воды, находящейся между полюсами Вольтова столба, от одного к другому. Действием этой силы — водогонной — объясняется, как он доказывал, появление минеральных и обыкновенных ключей, движение соков в растениях и даже крови у человека и животных (особенно у не имеющих сердца). Пользуясь своим открытием, Рейс из найденной им в Нескучном саду минеральной воды мог произвольно получать воду любого качества, прибавляя к ней ту или другую соль. В 1822 году Рейс принял на себя заведование университетской библиотекой; памятником этой его деятельности остались два каталога, лично им составленные, — систематический и алфавитный.
В 1839 году Рейс оставил службу в Московском университете за выслугой лет и переселился в Штутгарт, где и умер 2 (14) апреля 1852 года.
Труды его следующие. I. В «Записках Физико-медицинского общества» напечатаны статьи: т. I — а) «Описание химических действий гальванического электричества»; б) «Theoremata de miasmatum contagiosorum origine, nature, proprietatibus et agendi modo»; т. II — а) «Опыты, относящиеся к фармации»; б) две статьи под заглавием «Наблюдения над различными лекарствами»; в) «Разложение противолихорадочного начала хинной корки»; г) «Физико-химические опыты над животным магнетизмом»; д) «О водогонной силе (potestas hydragoga) гальванического электричества», открытой Рейсом, и об участии ее в различных явлениях природы (статья о том же — «Записки Имп. моск. общ. испыт. природы», т. II); е) «Анатомо-физиологическое исследование сил, движущих кровь, которым доказывается, что главная из них есть водогонная сила электричества»; ж) «О действии различных средств, особенно растения scutellaria laterifolia, против водобоязни»; т. III — а) «Замечания относительно того, что врачам следовало бы к своим метеорологическим наблюдениям присоединять и геологические»; б) «Наблюдения над средством Каде де Во (Cadet de Vaux) против ломоты и ревматизма»; в) «Замечания об изумительном действии сернокислой меди в крупе»; г) «Замечания о болезни — asthma aculum periodicum Millari». II. Доклады в Физико-медицинском обществе: 1) «О химическом сродстве»; 2) «Рассуждения об опытах с Вольтовым столбом, произведенных Ф. Пакияни»; 3) «Метеорологические наблюдения»; 4) «Рассуждения о пользе новейшего химического именословия (nomenclatura) с опытом перевода химических терминов на русский язык»; 5) «Рассуждение о перегонном снаряде, изобретенном В. Каразиным»; 6) «Новые опыты об изменении (metamorphosis) воды гальваническим электричеством»; 7) «Описание (historia) химического действия гальванического электричества»; 8) «Описание опыта, доказывающего образование газов (aerogenesis) действием гальванического электричества из воды в самой реке, часть которой на значительном даже пространстве служила проводником для соединения полюсов Вольтова столба»; 9) «Извещение о новом, до того времени неизвестном действии гальванического электричества»; 10)«Химические замечания о серных и кислых Кавказских источниках»; 11) «Химическое разложение Семеновских (Московской губ.) железистых минеральных вод»; 12) «Наблюдения и опыты над свекловичным сахаром»; 13) «Замечания о различных видах хинной корки, встречающихся в аптеках и торговле»; 14) «Рассуждения о свойствах и различиях человеческой мочи в виде введения к химико-терапевтическим замечаниям о средствах, разрушающих мочевые камни (lithontriptica)»; 15) «Полное химическое разложение Кавказских минеральных вод»; 16) «Замечания (notitia) о минеральных водах Тверской губ., исследованных и описанных по повелению Его Светлости Принца Ольденбургского»; 17) «Советы для экономической постройки удобных и здоровых домов»; 18) «Опыты, относящиеся к усовершенствованию фармации»: 19) «Наблюдения над крупом»; 20) «Об успешном употреблении углекислаго калия (sal tartari) в крупе»; 21) «Об употреблении животного фосфорного масла в темной воде и химические замечания об этом средстве»; 22) «История больной, спасенной от угрожавшего смертью крупа действием средств, возбуждающих чихание»; 23) «Замечания о некоторых народных русских лекарствах»; 24) «Рассуждение о некоторых лекарствах»; 25) «Наблюдения над крупом (tracneitis) двухлетнего ребенка, излеченного от этой болезни углекислым кали (sal tartari); 26) «Речь о врачебном действии растения geranium scabrum». Другие труды: 1) «Описание Семеновских минеральных вод»; 2) «Наставление, как употреблять средство, предохраняющее от моровой язвы и других заразительных болезней»; М., 1807; 3) «О самовозгорании (De incendis spontaneis eorumque legibus et causis oratio)»; 4) «Речь» на акте 1809 г. — De studiorum academicorum rectius instituendorum prosperius celebrandorum et felicius absolvendorum ratione»; 5) «Речь» на акте 1825 г. — «Memoria coronationis et sacrae unctionis Imperatoris ac domini nostri Nicolai Primi»; 6) «Об употреблении хлора для предохранения от холеры», M., 1830.
Этот эффект был открыт еще в 1807 году профессором Московского университета, уроженцем Германии Фердинандом Рейсом (Фердинанд Рейс родился в Тюбингене) в ходе довольно простого эксперимента.
В изогнутую стеклянную трубку наливалась вода, а изгиб трубки заполнялся порошкообразным нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегородка. Когда же к воде в коленах подавалось напряжение, она начинала через эту перегородку просачиваться.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 1,
"picsrc": "Эксперимент профессора Московского университета Фердинанда Рейсса 1807 года – процесс электроосмоса. В изогнутую стеклянную трубку наливалась вода, а изгиб трубки заполнялся порошкообразным нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегородка. Когда же к воде в коленах подавалось напряжение, она начинала через эту перегородку просачиваться",
"repl": "<1>:{{incut1()}}",
"uid": "_uid_6612333_i_1"
}
Связанное с электроосмосом явление движения твердых частиц в жидкости под влиянием электрического поля было названо электрофорезом.
Простота эффекта скрывала за собой довольно сложную физику, в которой ученым удалось разобраться лишь век спустя, когда польский физик Мариан Смолуховский в 1909 году смог теоретически описать процесс электроосмоса. В течение следующего века никто его теорию сомнению не подвергал, и только сейчас выясняется, что это лишь частный случай более общей теории, применимый только тогда, когда жидкость течет вдоль гидрофильной, т.е. хорошо смачиваемой, поверхности, где следует учитывать (что Смолуховский и сделал) эффект прилипания жидкости. Теперь выясняется, что в случае с гидрофобной, т.е. плохо смачиваемой, поверхностью нужно учитывать совершенно другое.
Выяснилась эта маленькая подробность как нельзя вовремя, в момент расцвета новых наук — микро- и нанофлюидики, имеющих дело с течением жидкости сквозь очень тонкие каналы.
Волей-неволей физикам пришлось подвергнуть сомнению догмы доброй старой гидродинамики.
Авторы статьи, которыми помимо Ольги Виноградовой являются еще молодые ученые с физического факультета МГУ Салим Мадуар и Алексей Беляев, показали теоретически и подтвердили в компьютерном эксперименте, что при количественном описании течений в электрических полях вдоль гидрофобной поверхности следует учитывать не граничное условие прилипания жидкости, использованное Смолуховским, а наоборот, электрогидродинамическое условие скольжения. Такой поворот сразу изменил картину происходящего.
Около заряженной поверхности в растворе образуется облако ионов противоположного знака, которое и является причиной возникновения электроосмотического течения. Здесь возможны два варианта — когда поверхностные заряды неподвижны и когда они могут перемещаться вдоль поверхности под воздействием приложенного электрического поля. В случае с неподвижными зарядами все относительно просто: благодаря гидрофобному скольжению скорость электроосмотического течения увеличивается. Когда же поверхностный заряд способен реагировать на приложенное электрическое поле, возникает, утверждают ученые, масса вариантов, порой совершенно неожиданных. Например, в статье показано, что можно индуцировать электроосмотическое течение даже вблизи незаряженной поверхности или, наоборот, полностью подавить такое течение в каналах с идеально скользкими заряженными стенками.
В новой теории герой остался прежним, однако его интерпретация существенно усложнилась.
«В теории Смолуховского предполагается, что дзета-потенциал равен потенциалу самой поверхности и не зависит от других поверхностей, которые находятся рядом, — утверждает Виноградова. — Эти выводы являются следствием классического гидродинамического условия прилипания жидкости к твердому телу. В нашей статье показано, что в случае гидрофобных поверхностей это не так из-за того, что гидрофобная поверхность скользкая, а ассоциированные со скользкой поверхностью ионы могут реагировать на электрическое поле».
Теперь дзета-потенциал оказался связан также с параметрами, характеризующими подвижность поверхностных зарядов и гидродинамическое скольжение на поверхности, и даже получил дополнительную зависимость от возможного близкого присутствия другой поверхности.
Жизнь с новой теорией стала сложнее, но понятнее.
Так, эта теория позволила сразу разрешить несколько парадоксов, многие годы остававшихся под большим знаком вопроса. Например, она позволила объяснить результаты измерений дзета-потенциала пузырьков и капель.
«Эти измерения давно и неизменно показывали, что их дзета-потенциалы такие же, как у твердого тела, — говорит Ольга Виноградова. — Это объяснялось, в частности, наличием загрязнений на поверхности пузырьков и капель. Мы показали, что загрязнения здесь ни при чем и что дзета-потенциал в данном случае действительно совпадает с дзета-потенциалом твердого тела, но уже совсем по другим причинам».
Теория также помогла понять вызывавшие жаркие споры электроосмотические течения в пенных пленках.
«Но, разумеется, путь от новой теории к практическим применениям всегда очень долог, — утверждает Виноградова. — Полагаю, первыми, кто будет использовать наши результаты, окажутся экспериментаторы».
