Как меняется связь между вязкостью и диффузией в растворах сахаров
В Центре вычислительной физики МФТИ выяснили, как меняется связь между диффузией и вязкостью в концентрированных растворах сахаров. Результаты статьи актуальны не только для физики жидкостей, но и для исследований биологических процессов, пищевой промышленности и криоконсервации, где концентрированные растворы углеводов играют практическую роль. Статья опубликована в журнале Molecular Simulation.
Растворы углеводов — один из фундаментально важных объектов исследования, поскольку углеводы широко распространены в природе и участвуют в работе живых клеток. Их коэффициенты вязкости и диффузии описывают перенос вещества в сложных жидких средах.
Коэффициенты диффузии чаще всего определяются по вязкости через соотношение Стокса—Эйнштейна — базовую формулу физики жидкости, которая была выведена для простого случая движения частицы в вязкой среде. Из-за этого возникает вопрос о применимости этой формулы для концентрированных растворов, где молекулы растворенного вещества уже активно взаимодействуют друг с другом. Точные границы применимости по концентрации раствора все еще плохо определены.
«Мы впервые систематически исследовали широкий диапазон концентраций для растворов сахаров в рамках моделирования на атомистическом масштабе. При этом мы одновременно рассчитывали вязкость и коэффициенты самодиффузии и напрямую проверяли применимость соотношения Стокса—Эйнштейна, что позволило проследить, как именно и при каких концентрациях оно нарушается»,— рассказала Мария Иванова, студентка третьего курса, проходящая обучение на кафедре вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем ЛФИ МФТИ.
Предыдущие исследования в основном посвящены температурной применимости соотношения Стокса—Эйнштейна. Влияние концентрации изучено значительно хуже. При этом в работах по сахарозе было отмечено, что с ростом концентрации уменьшается эффективный гидродинамический радиус — параметр, характеризующий движение частицы в жидкости с учетом влияния окружающей среды.
В этом исследовании физтехи решили проверить, является ли это общим свойством углеводов, а не частным случаем сахарозы. Для этого они выбрали три молекулы разного размера. Физики хотели узнать, до каких концентраций можно связывать коэффициенты вязкости и самодиффузии через соотношение Стокса—Эйнштейна, а также причину нарушения этой связи.
Чтобы ответить на поставленные вопросы, ученые провели компьютерное молекулярное моделирование водных растворов трех углеводов: глюкозы, трегалозы и раффинозы. Они проследили, как меняются вязкость, диффузия и их связь через соотношение Стокса—Эйнштейна при увеличении концентрации вплоть до очень высоких значений — около 60%.
«Мы проверяли модель прямым сравнением с экспериментальными данными: по плотности растворов, вязкости и коэффициентам диффузии. Плотность удалось воспроизвести очень точно— средняя ошибка была меньше 0,5% для всех исследованных сахаров. Вязкость также хорошо совпадала с экспериментальными трендами. Для диффузии экспериментальные данные были доступны только для растворов трегалозы: здесь моделирование немного завышало значения, но общий тренд был правильный»,— пояснил Владимир Дещеня, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ, аспирант второго года кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем ЛФИ МФТИ.
Источник: Пресс –служба МФТИ