Ультранизкочастотные осцилляции интенсивности люминесценции полимерной мембраны в водных растворах солей

Аннотация

Экспериментально по результатам фотолюминесцентной спектроскопии изучена люминесценция полимерной мембраны "Нафион" при ее набухании в изотонических водных растворах и бидистиллированной воде. Жидкие образцы предварительно обрабатывались электрическими импульсами длительностью 1 мкс и амплитудой 0,1 В с использованием антенны в виде плоского конденсатора; эксперименты по фотолюминесцентной спектроскопии проводились через 20 мин после обработки электрическими импульсами. Типичная зависимость интенсивности люминесценции от времени набухания мембраны представлена экспоненциально убывающей функцией. Характерное время затухания соответствующих функций и стационарный уровень интенсивности люминесценции мембраны зависят от частоты следования электрических импульсов. Полученные зависимости хорошо воспроизводятся. Однако при некоторых частотах следования импульсов зависимость интенсивности люминесценции является случайной функцией и воспроизводимость отсутствует. Предположено, что эти стохастические эффекты связаны с воздействием случайной внешней силы электромагнитной природы, действующей на полимерную мембрану в течение набухания. Источником этой случайной силы, по мнению авторов работы, являются низкочастотные пульсации нейтронных звезд или белых карликов. Эффект связывается с деполяризацией при рассеянии низкочастотного электромагнитного поля, обусловленного пульсациями нейтронных звезд. Эффект деполяризации возникает вследствие рассеяния на долгоживущих анизотропных кластерах из нанопузырьков, которые, в свою очередь, становятся анизотропными во внешнем поле плоского конденсатора. Деполяризованное рассеянное излучение вызывает стохастические осцилляции размотанных в объем жидкости полимерных волокон. В этом случае с учетом эффекта резонансного переноса энергии люминесценции от донора к акцептору люминесценция также должна приобретать стохастический характер

Работа выполнена при поддержке гранта Минобрнауки России (№ 075-15-2022-315) на организацию и развитие научно-исследовательского центра мирового уровня "Фотоника"

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Бункин Н.Ф., Башкин С.В., Болоцкова П.Н. и др. Ультранизкочастотные осцилляции интенсивности люминесценции полимерной мембраны в водных растворах солей. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 2 (107), с. 50--82. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-2-50-82

Литература

[1] Mauritz K.A., Moore R.B. State of understanding of Nafion. Chem. Rev., 2004, vol. 104, pp. 4535--4585. DOI: https://doi.org/10.1021/cr0207123

[2] Choi J.S., Tsui J.H., Xu F., et al. Fabrication of micro- and nanopatternednafion thin films with tunable mechanical and electrical properties using thermal evaporation-induced capillary force lithography. Adv. Mat. Int., 2021, vol. 8, no. 7, art. 2002005. DOI: https://doi.org/10.1002/admi.202002005

[3] Ye J.Y., Yuan D., Ding M., et al. A cost-effective nafion/lignin composite membrane with low vanadium ion permeation for high performance vanadium redox flow battery. J. Power Sources, 2021, vol. 482, art. 229023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.229023

[4] Castelino P., Jayarama A., Bhat S., et al. Role of UV irradiated Nafion in power enhancement of hydrogen fuel cells. Int. J. Hydrogen Energy, 2021, vol. 46, no. 50, pp. 25596--25607. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.05.058

[5] Shinkawa M., Motai K., Eguchi K., et al. Preparation of perfluorosulfonated ionomer nanofibers by solution blow spinning. Membranes, 2021, vol. 11, no. 6, art. 389. DOI: https://doi.org/10.3390/membranes11060389

[6] Lufrano E., Simari C., Di Vona M.L., et al. How the morphology of nafion-based membranes affects proton transport. Polymers, 2021, vol. 13, no. 3, art. 359. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13030359

[7] Chen C.S., Chung W.J., Hsu I.C., et al. Force field measurements within the exclusion zone of water. J. Biol. Phys., 2011, vol. 38, no. 1, pp. 113--120. DOI: https://doi.org/10.1007/s10867-011-9237-5

[8] Huszar I., Martonfalvi Z., Laki A., et al. Exclusion-zone dynamics explored with microfluidics and optical tweezers. Entropy, 2014, vol. 16, no. 8, pp. 4322--4337. DOI: https://doi.org/10.3390/e16084322

[9] Spencer P.D., Riches J.D., Williams E.D. Exclusion zone water is associated with material that exhibits proton diffusion but not birefringent properties. Fluid Phase Equilib., 2018, vol. 466, pp. 103--109. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fluid.2018.03.020

[10] Figueroa X.A., Pollack G.H. Exclusion-zone formation from discontinuous nafion surfaces. Int. J. Des. Nat. Ecodyn., 2011, vol. 6, no. 4, pp. 286--296. DOI: https://doi.org/10.2495/dne-v6-n4-286-296

[11] Pollack G.H. The fourth phase of water. Ebner and Sons, 2013.

[12] Elton D.C., Spencer P.D., Riches J.D., et al. Exclusion zone phenomena in water --- critical review of experimental findings and theories. Int. J. Mol. Sci., 2020, vol. 21, no. 14, art. 5041. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms21145041

[13] Bunkin N.F., Shkirin A.V., Kozlov V.A., et al. Near-surface structure of Nafion in deuterated water. J. Chem. Phys., 2018, vol. 149, no. 16, art. 164901. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5042065

[14] Bunkin N.F., Gorelik V.S., Kozlov V.A., et al. Colloidal crystal formation at the "nafion-water" interface. J. Phys. Chem. B, 2014, vol. 118, no. 12, pp. 3372--3377. DOI: https://doi.org/10.1021/jp4100729

[15] Pieranski P. Colloidal crystals. Contemp. Phys., 1983, vol. 24, no. 1, pp. 25--73. DOI: https://doi.org/10.1080/00107518308227471

[16] Craig H. Standard for reporting concentrations of deuterium and oxygen-18 in natural waters. Science, 1961, vol. 133, no. 3467, pp. 1833--1834. DOI: https://doi.org/10.1126/science.133.3467.1833

[17] Ninham B.W., Bolotskova P.N., Gudkov S.V., et al. Formation of water-free cavity in the process of Nafion swelling in a cell of limited volume; effect of polymer fibers unwinding. Polymers, 2020, vol. 12, no. 12, art. 2888. DOI: https://doi.org/10.3390/polym12122888

[18] Goodsell D.S. The machinery of life. Copernicus New York, Springer, 2009. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-84925-6

[19] Reines B.P., Ninham B.W. Structure and function of the endothelial surface layer: unraveling the nanoarchitecture of biological surfaces. Q. Rev. Biophys., 2019, vol. 52, art. e13. DOI: https://doi.org/10.1017/s0033583519000118

[20] Bunkin N.F., Bolotskova P.N., Bondarchuk E.V., et al. Dynamics of polymer membrane swelling in aqueous suspension of amino-acids with different isotopic composition; photoluminescence spectroscopy experiments. Polymers, 2021, vol. 13, no. 16, art. 263. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13162635

[21] Adey W.R. Tissue interactions with nonionizing electromagnetic fields. Physiol. Rev., 1981, vol. 61, no. 2, pp. 435--514. DOI: https://doi.org/10.1152/physrev.1981.61.2.435

[22] Adey W.R., Lawrence A.F., eds. Nonlinear electrodynamics in biological systems. Plenum, 1984. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4613-2789-9

[23] Chiabrera A., Nicolini C., Schwan H.P., eds. Interactions between electromagnetic fields and cells. Springer, 1985. DOI: https://doi.org/10.1016/c2013-0-02552-2

[24] Polk C., Postow E., eds. CRC handbook of biological effects of electromagnetic fields. CRC, 1986.

[25] Blank M., Findl E., eds. Mechanistic approaches to interactions of electromagnetic fields with living systems. Springer, 1987. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4899-1968-7

[26] Frohlich H., ed. Biological coherence and response to external stimuli. Berlin, Heidelberg, Springer, 1988. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-73309-3

[27] Wilson B.W., Stevens R.G., Anderson L.E., eds. Extremely low frequency electromagnetic fields: the question of cancer. Batelle, 1991.

[28] Saliev T., Begimbetova D., Masoud A.R., et al. Biological effects of non-ionizing electromagnetic fields: two sides of a coin. Prog. Biophys. Mol. Biol., 2019, vol. 141, pp. 25--36. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2018.07.009

[29] Bunkin N.F., Bolotskova P.N., Bondarchuk E.V., et al. Long-term effect of low-frequency electromagnetic irradiation in water and isotonic aqueous solutions as studied by photoluminescence from polymer membrane. Polymers, 2021, vol. 13, no. 9, art. 1443. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13091443

[30] Eizenberg D., Kauzmann W. The structure and properties of water. Clarendon Press, 1969.

[31] De Almeida S.H., Kawano Y. Ultraviolet-visible spectra of Nafion membrane. Eur. Polym. J., 1997, vol. 33, no. 8, pp. 1307--1311. DOI: https://doi.org/10.1016/s0014-3057(96)00217-0

[32] Quickenden T.I., Irvin J.A. The ultraviolet absorption spectrum of liquid water. J. Chem. Phys., 1980, vol. 72, no. 8, pp. 4416--4428. DOI: https://doi.org/10.1063/1.439733

[33] Ashmead J. Morlet wavelets in quantum mechanics. Quanta, 2012, vol. 1, no. 1, pp. 58--70. DOI: https://doi.org/10.12743/quanta.v1i1.5

[34] Vanmarcke E. Random fields. World Scientific, 2010.

[35] Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. М., ФИЗМАТЛИТ, 2006.

[36] Hurley-Walker N., Zhang X., Bahramian A., et al. A radio transient with unusually slow periodic emission. Nature, 2022, vol. 601, pp. 526--530. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04272-x

[37] Landau L.D., Lifshitz E.M. Course of theoretical physics. Vol. 8. Electrodynamics of continuous media. Pergamon Press, 1960.

[38] Bunkin N.F., Shkirin A.V., Suyazov N.V., et al. Formation and dynamics of ion-stabilized gas nanobubble phase in the bulk of aqueous NaCl solutions. J. Phys. Chem. B., 2016, vol. 120, no. 7, pp. 1291--1303. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b11103

[39] Yurchenko S.O., Shkirin A.V., Ninham B.W., et al. Ion-specific and thermal effects in the stabilization of the gas nanobubble phase in bulk aqueous electrolyte solutions. Langmuir, 2016, vol. 32, no. 43, pp. 11245--11255. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b01644

[40] Kelsall G.H., Tang S.Y., Yurdakul S., et al. Electrophoretic behaviour of bubbles in aqueous electrolytes. J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1996, vol. 92, no. 20, pp. 3887--3893. DOI: https://doi.org/10.1039/ft9969203887

[41] Takahashi M. Zeta-potential of microbubbles in aqueous solutions: electrical properties of the gas-water interface. J. Phys. Chem. B, 2005, vol. 109, no. 46, pp. 21858--21864. DOI: https://doi.org/10.1021/jp0445270

[42] Ushikubo F.Y., Enari M., Furukawa T., et al. Zeta-potential of micro- and/or nano-bubbles in water produced by some kinds of gases. IFAC Proc. Vol., 2010, vol. 43, no. 26, pp. 283--288. DOI: https://doi.org/10.3182/20101206-3-jp-3009.00050

[43] Bunkin N.F., Shkirin A.V. Nanobubble clusters of dissolved gas in aqueous solutions of electrolyte. II. Theoretical interpretation. J. Chem. Phys., 2012, vol. 137, no. 5, art. 054707. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4739530

[44] Bunkin N.F., Suyazov N.V., Shkirin A.V., et al. Nanoscale structure of dissolved air bubbles in water as studied by measuring the elements of the scattering matrix. J. Chem. Phys., 2009, vol. 130, no. 13, art. 134308. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3095476

[45] Bunkin N.F., Shkirin A.V., Kozlov V.A. Cluster structure of dissolved gas nanobubbles in ionic aqueous solutions. J. Chem. Eng. Data., 2012, vol. 57, no. 10, pp. 2823--2831. DOI: https://doi.org/10.1021/je300724c

[46] Bunkin N.F., Shkirin A.V., Ignatiev P.S., et al. Nanobubble clusters of dissolved gas in aqueous solutions of electrolyte. I. Experimental proof. J. Chem. Phys., 2012, vol. 137, no. 5, art. 054706. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4739528

[47] Van De Hulst H.C., Twersky V. Light scattering by small particles. Wiley, 1957.

[48] Choi H., Choe S.-W. Acoustic stimulation by shunt-diode pre-linearizer using very high frequency piezoelectric transducer for cancer therapeutics. Sensors, 2019, vol. 19, no. 2, art. 357. DOI: https://doi.org/10.3390/s19020357

[49] Brugger M.S., Baumgartner K., Mauritz S.C.F., et al. Vibration enhanced cell growth induced by surface acoustic waves as in vitro wound-healing model. PNAS, 2020, vol. 117, no. 50, pp. 31603--31613. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2005203117

[50] Lakowicz J.R. Energy transfer. In: Principles of Fluorescence Spectroscopy. Boston, Springer, 2006, pp. 367--394. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4757-3061-6_13

[51] Bunkin N.F., Astashev M.E., Bolotskova P.N., et al. Possibility to alter dynamics of luminescence from surface of polymer membrane with ultrasonic waves. Polymers, 2022, vol. 14, no. 13, art. 2542. DOI: https://doi.org/10.3390/polym14132542

[52] Landau L.D., Lifshitz E.M. Course of theoretical physics. Vol. 6. Hydrodynamics. Pergamon Press, 1980. DOI: https://doi.org/10.1016/c2013-0-00704-9