[发明专利]水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法

说明书

本发明公开了一种水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法。液体自然冷却温度因能量交换而偏离实验的控制温度。对两者之差与比热的乘积的延时积分等于能量交换。实测降温曲线的二阶导数拐点对应相变温度。液态和固态以及极化超固态的指数降温曲线对应H‑O键的冷致膨胀放热，而在液态与固态之间的温致准固态因H‑O键冷致收缩吸热。此方法可用于测定有水参与的场合和以水为基的介质如水凝胶和各种浓度和不同溶质的溶液的热稳定性、能量交换和液体所处状态。

技术领域

本发明涉及材料科学和声子谱学技术领域，具体涉及水基溶液变温和温致相变过程中能量交换、相变温度以及温致准固态和极化超固态的诊断和测定方法。

背景技术

水合反应和对水溶液相变温度的调控对于从生物化学到农业、气候和地质工程的各个领域都非常重要。例如，降低溶液冰点有利于低温保存生物活细胞和抗病疫苗；水合矿物的冻融循环会在水分子冻结时引起显著的体积膨胀，并在解冻后留下孔隙-即岩石风化。这样的过程对水以及宿主物质的结构稳定性和性质都会产生强烈的影响，对矿物岩石造成风化侵蚀为山区公路和铁路建设造成困难。相比之下，土壤的冻融循环利于保墒促进农作物生长，提高产量。

自从霍夫梅斯特1988年建立盐水合对溶液表面应力和蛋白质溶解能力序列关系以来，关于盐水合反应机理的争论一直在持续。关键问题在于，不同浓度和种类的盐如何改变溶液的临界温度(熔点T_m，冰点T_N)、溶液的温致相变以及在相变过程中的能量交换。拉曼光谱测量发现，卤素离子的水合反应与水的加热效果类似，认为两者均使O:H非键解体，减少了水分子的配位数。但是不同的观点认为卤化盐溶液和升温去离子水之间的光谱差异源于第一水合壳内的局域电场，而不是氢键的重排。所以，在诸多需要考虑能量交换的领域，往往需要通过其他方式来考虑能量交换，例如，在进行生物冷冻及复活时，需要在低冰点溶液中进行，避免冰晶刺伤细胞膜，而如何选择合适的溶液，一般需要采用大量实验进行筛选，不但增加了工作量，也提升了实验成本；在超流和超导领域，对于超导磁体以及超导传感器的研究，也是通过大量实验进行材料性能的验证与筛选；在生活中，需要弱化热交换的时候，同样只能通过大量实验来调整影响热交换的条件等等，这些无异于提高了各自领域的研究工作量以及实验成本。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法，以解决现有技术无法测定不同浓度和种类的溶质如何改变溶液的临界温度(熔点T_m，冰点T_N)、温致相变以及相变过程中能量交换的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法，液体在程序控温条件下，因H-O键的温致弛豫和与外界交换能量，使其自然冷却温度偏离控制温度；对自然冷却温度和控制温度之差与比热的时间积分测定能量交换。

具体措施：利用恒温恒湿箱控制环境温度，使去离子水和溶液分别自然冷却；分别记录他们的实测降温曲线和外控温度曲线，以确定他们的熔点T_m和冰点T_N；在熔点T_m和冰点T_N温度区间内实测降温曲线和控温曲线之差进行积分，确定纯水在冷冻相变过程中准固态H-O键因冷致收缩所吸收的能量；对液态水，冰以及饱和溶液在任意温区内对溶液实测降温曲线与控温曲线之差进行积分，即可获得H-O键因冷膨胀而释放的热量。

优选地，操作过程如下：

步骤1：准备去离子水样品和不同浓度的溶液；

步骤2：对样品放入控温箱内进行降温，记录控温曲线与样品的实际降温曲线；

步骤3：实测温度曲线的二阶导数拐点对应相变温度，获得熔点T_m和冰点T_N；