Публикации: Олимпиада

Все мы знаем, что такое мыло, и пользуемся им каждый день. Но не всем известно, что молекулы этого вещества обладают такой мощью, что один его килограмм может сдвинуть вагон массой более 100000 кг - это один вагон угля.

Предлагается опыт по определению поверхностной активности различных веществ методом перемещения жидкости [1,2]

Обычно оценку поверхностной активности, как веществ, так и поверхностей, в том числе полученных с использованием нанотехнологий проводят, определяя два параметра – поверхностное натяжение и краевой угол смачивания.

Предлагается опыт по определению поверхностной активности с использованием нового способа, который показывает мощь поверхностных явлений и, в частности, поверхностно – активных веществ (ПАВ) и свойство поверхности удерживать жидкость. В опыте не нужно определять поверхностное натяжение и краевой угол смачивания, единицей измерения в предлагаемом опыте служит удельное количество перемещаемой ПАВ жидкости – какое количество жидкости может переместить один килограмм ПАВ.

Движущей силой в этом процессе, возможно, служит образующаяся в результате растекания по поверхности тонкого слоя жидкости пленка раствора ПАВ, которая вскрывает весь слой жидкости и открывает поверхность, на которой жидкость находится и граничные слои жидкости, взаимодействующие с поверхностью. Одновременно, опыт позволяет показать, что на поверхности воды существует пленка. Определение осуществляется по разности скоростей перемещения капиллярных волн и микроволн. Микроволны возникают от колебаний пленки жидкости на ее поверхности, а капиллярные волны от колебаний самой жидкости после воздействия массы капли и движущей силы раствора ПАВ. Этим способом можно оценивать нанодвигатели, работающие при изменении смачивания пленки из наночастиц под действием разных факторов, в частности, от действия света. [3] Или исследовать и оценить жидкость, содержащую наночастицы обладающие поверхностной активностью, например, такие как это описано в работе [4]

Этим опытом хочется показать новое видение поверхностных явлений, с использованием современных компьютерных технологий дающих наглядное и визуально и аналитически оцениваемое качество измерений в нанотехнологиях. Конечно же, этим опытом еще показывается междисциплинарность нанотехнологий, так как для осуществления предлагаемого опыта необходимо знать и математику, и физику, и химию, и информатику и механику. Аналогов этому способу в литературе не найдено.

Сам по себе опыт не сложен, но для его выполнения необходим компьютер с вэб-камерой и программа для редактирования видео, например бесплатная программа из интернета VirtualDub_1.9.8_RU.ws. Столик с настройкой горизонтального уровня для размещения препарата. На поверхность столика приклеиваются три шарика одинакового диаметра так, чтобы они располагались треугольником по размеру немного (5 – 10 мм) меньше размера бумаги формата А4. В качестве столика может быть использована подставка от аналитических или технических весов. Вершина треугольника направлена к осветителю, а основание к видеокамере. Осветитель, в виде светящейся панели, с установленной на нем индикаторной сеткой с размером ячеек 5х5 мм ширина линий сетки 1 рт, отпечатанной на матовой пленке Kimoto или другого производителя с помощью лазерного принтера. Стеклянная пластина по размеру на 3-4 см больше чем формат А4, устанавливаемая на шарики столика. (См. рис. 1) Толщина пластины не имеет особого значения. Кювета для замачивания объекта препарат – бумаги для ксероксов с напечатанной на ней на лазерном принтере фирмы НР (принтеры других производителей не подходят) ограничительной окружности. Фото валик или валик для приклеивания обоев, но можно использовать и стеклянную палочку или трубку достаточно большого диаметра (10-15 мм) для удаления воздуха из-под объекта препарата с ограничительной окружностью после замачивания и помещения его на стеклянную пластину. Поролон толщиной 2-3 см покрытый хлопчатобумажной тканью в несколько слоев. Пипетка для закапывания лекарственных препаратов. Бумага формата А4 с напечатанным на ней кругом с шириной линии 4-5 мм. Для печати круга использовать только принтер фирмы НР. Внутренний диаметр круга 160 мм. Круг рисуется на компьютере в программе Word, центр круга помечается крестиком для внесения в это место капли раствора ПАВ - мыла. Пипетка стеклянная аналитическая на 10 мл для внесения в круг жидкости слоем 0,5 мм.

Схема установки для проведения опыта. (см.рис.1)

1. Стол с регулируемым уровнем горизонтальности
2. Объект препарат (бумага с нанесенной ограничительной окружностью)
3. Видеокамера
4. Медицинская пипетка
5. Осветитель
6. Сетка на матовой пленке

Описание эксперимента:

1. Установка столика с регулируемым уровнем.Столик устанавливается на неподвижном по возможности массивном столе, на приклеенные шарики укладывается стеклянная пластина, на пластине размещается обычный плотницкий уровень и столик регулируют, вращая резьбовые ножки столика так чтобы в двух взаимно – перпендикулярных направлениях пластина не имела наклона.
2. Подготовка объекта препарата. Замачивают на 10 минут бумагу с нанесенной на нее ограничительной окружностью. Стеклянную пластину укладывают на поролон, покрытый несколькими слоями хлопчатобумажной ткани. Замоченную бумагу помещают на стеклянную пластину так, чтобы расстояния до края пластины были равномерны. Для правильной укладки бумаги на пластине с обратной стороны маркером наносят линии указывающие размер бумаги, по которым ориентируются при помещении бумаги на пластину. Прокатывая по поверхности бумаги валик или другой круглый предмет, удаляют из-под нее воздух и пластину с объектом препаратом помещают на шарики, приклеенные к столику.
3. Установка осветителя и видеокамеры. В ограничительную окружность вносят 10 мл воды, желательно дистиллированной. Стеклянной палочкой с оплавленными краями распределяют жидкость равномерно, внутри окружности, заполняя все не смоченные водой места. С узкой стороны пластины устанавливают осветитель. С противоположной стороны видеокамеру. Регулируют их установку так, чтобы в видеокамере была видна отраженная от поверхности воды, налитой в ограничительную окружность, индикаторная сетка от осветителя. А ограничительная окружность была видна в кадре так, чтобы можно было измерить расстояние от центра, помеченного крестиком до края окружности. Центр окружности нужно размещать по центру кадра. Можно смещать центр к краю кадра, но край окружности и центр должен быть видны на кадре. (Смотри рис. 3) Это необходимо для последующего масштабирования. Линейкой с ценой деления 1 мм измеряют расстояние от центра до внутреннего края ограничительной окружности. Это расстояние обычно равно 82 мм.
4. Проведение испытания. Видеокамеру включают на запись и в центр окружности из пипетки для закапывания медицинских препаратов вносят каплю раствора ПАВ. Через 6-8 секунд камеру выключают.
5. Обработка видеозаписи. Отснятый видеофильм в программе VirtualDub_1.9.8_RU.ws. просматривают по кадрам, и кадр на котором перемещенный слой будет иметь максимальный радиус, помещают в программу PAINT операционной системы WINDOWS или в другую программу, в которой можно измерить расстояния на рисунках. (Смотри рис 2 и 3)
6. Измерения и расчеты В программе PAINT определяют горизонтальные координаты центра окружности, ее внутреннего края, точки падения капли и края перемещенного слоя жидкости. В программе EXEL по координатам рассчитывают, сколько пикселей в радиусе – расстоянии от центра окружности до внутреннего ее края. И переводят в масштабную единицу, определяя, сколько пикселей в 1 см. Затем определяют горизонтальные координаты точки падения капли раствора ПАВ (чаще она совпадает с центром окружности) и наибольшего радиуса перемещенного слоя жидкости. В программе EXEL рассчитывают объем перемещенного слоя жидкости. Также определяют объем капли раствора ПАВ из пипетки (можно определять по предварительной градуировке пипетки или используемого капилляра) и зная концентрацию ПАВ в жидкости, определяют, какое количество ПАВ было в капле и совершило перемещение жидкости, и пересчитывают на один килограмм ПАВ. Все расчеты выполняются в программе EXEL. (Смотри подпись к рисунку 3)
7. Приготовление раствора ПАВ. От куска хозяйственного мыла ножом соскабливается стружка. Стружка в количестве 5 гр. взвешивается на технических весах с ценой деления 0,01 грамма. (В магазинах электроники продаются по цене 1000 руб.) Стружка растворяется в 1 литре воды. Для демонстрационных опытов можно использовать мерный цилиндр. После растворения жидкость переливается в плотно закрывающуюся емкость (пластиковая бутылка). При растворении мыла жидкость необходимо перемешивать, а растворять в воде при температуре 40 ^оС. Перед проведением опыта жидкость подогреть.

На рис. 3 Вы видите вид препарата после установления наибольшего радиуса перемещения. Линиями А, В, С помечены измеряемые координаты. А – С радиус окружности равный 82 мм в пикселях он равен 4079 – 368 = 3711, в одном сантиметре будет 452,561 пикселей. Радиус наибольшего перемещения в пикселях равен 1917 – 368 = 1549 пикселей или переводим в сантиметры 1549 / 452,561 = 3,42 см. Следовательно, при толщине слоя воды 0,5 мм объем перемещенной жидкости составит V = S h = πr² х h = 36,8043 х 0,05 = 1,84 см³ или при плотности воды 1000 кг/м³ это будет масса 1,84 грамма или 0,00184 кг. Содержание мыла в растворе было 5 кг/м³ диаметр капли был 1,5 мм – 0,0015 м. Следовательно, в капле объемом 1/6πD³ содержится (1/6πD³ х 5) = (1/6)х3,14х(0,0015³) х 5 = 8,84 х 10^-9кг ПАВ. Это количество ПАВ переместило 0,00184 кг воды, а один кг мыла переместит 0,00184 / 8,84 х 10^-9 = 208269,71 кг воды. Это уже два вагона угля.

В Восточно – Сибирском государственном технологическом университете разработана и может быть изготовлена на заказ установка по определению количества перемещенной ПАВ жидкости.

1. Титов А.О., Титов О.П., Титов М.О. Патент 2362979 Устройство для определения дальности распространения микроволн по поверхности слоя жидкости.
2. Титов А.О., Титов О.П., Титов М.О. Патент 2362141 Способ определения количества жидкости, перемещаемой поверхностно – активным веществом.
3. http://www.runewsweek.ru/science/6835/
4. http://www.nanonewsnet.ru/news/2008/sozdana-umnaya-nano-zhidkost