СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ГРАНИЧНОГО СЛОЯ ВОДЫ
METHOD OF MODE INTERFACE LAYER DEPTH DEFINITION

Изобретение относится к области малых энергий в химии и может быть использовано при разработке нанотехнологий в разных отраслях промышленности: химической, легкой, кожевенной и меховой, пищевой, медицинской, строительной индустрии, а также в разных областях знаний.
Известно, что в научной литературе, посвященной изучению поверхностных явлений, приводятся данные о толщине граничных слоев жидкости в десятки ангстрем. Там же говорится о том, что влияние твердой поверхности распространяется и дальше вглубь жидкости (см. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 398 с.); (см. Вода в дисперсных системах/Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овчаренко и др. - М.: Химия, 1989. - 288 с.; О роли граничных слоев воды в агрегативной устойчивости дисперсий гидрофильных частиц. Е.В. Голикова Ю.М. Чернобережский, с.176.; см. там же Состояние связанной воды в дисперсных силикатах Ф.Д. Овчаренко, Ю.И. Тарасевич, с.41). Считается, что распространение межмолекулярных сил взаимодействия между твердым телом и жидкостью ограничено несколькими ангстремами, и они относятся к близкодействующим (см. Силы в природе/В.И. Григорьев, Г.Я. Мякишев. - М.: Наука, 1973. - 416 с., с.186); (см. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 398 с.). Однако протяженность взаимодействия или распространения этих сил не определена. В то же время об их влиянии, например, на результаты определения поверхностного натяжения методом отрыва кольца известно, что при выполнении этих измерений предлагается погружать кольцо в жидкость на достаточном удалении от стенок сосуда (см. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества. Справочник / А.А. Абрамзон, Л.Е. Боброва, Л.П. Зайченко и др., под ред. А.А. Абрамзона и Е.Д. Щукина, - Л., Химия, 1984 г., с.392, илл., с.165); (см. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 398 с.).
Известно, что для определения толщины граничных слоев жидкости используют методы инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса и другие не менее сложные методы (см. Вода в дисперсных системах./Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овчаренко и др. - М.: Химия, 1989. - с.288).
Наиболее близких к изобретению технических решений в известной научно-технической литературе и патентной документации авторами не выявлено.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа определения толщины граничного слоя воды, в котором распространяется силовое поле молекул поверхности тела, на котором жидкость находится.
Технический результат изобретения заключается в оценке толщины граничного слоя воды на поверхностях с разными свойствами путем определения дальности распространения межмолекулярных сил поверхности в воду с использованием способности поверхностно-активных веществ перемещать воду, находясь в газовой фазе в виде нанокапель, в разработке на этой основе новых методов и способов применения нанотехнологий для химических и энергетических целей, получения новых знаний.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в способе определения толщины граничного слоя воды согласно изобретению толщину слоя воды, находящегося во взаимодействии с веществом изучаемой поверхности, на которой вода находится, определяют по разности критической толщины слоя воды, при которой еще происходит прорыв этого слоя поверхностно-активным веществом из газовой фазы, и толщиной структурированного поверхностного слоя воды, равной 0,15 мм, при этом информацию о критической толщине слоя воды на изучаемой поверхности получают от взаимодействия поверхностно-активного вещества с поверхностью воды, фиксируя видео или кинокамерой процесс перемещения воды от подвода капилляра с поверхностно-активным веществом до окончания перемещения воды, затем на покадровой развертке определяют время, необходимое для прорыва слоя воды, а толщину слоя воды увеличивают и определяют, при какой толщине воды прорыва слоя не происходит, а за критическую толщину слоя воды принимают толщину, при которой еще происходит прорыв всей толщины воды.
Толщина двойного поверхностного слоя жидкости воды определена американскими астронавтами в 0,3 мм (300 микрон). Следовательно одинарный слой жидкости воды будет иметь толщину 0,15 мм (см. Опыты с мыльной пленкой без мыла: Журнал «Наука и жизнь» №1, опубл. в 2004 г., что можно также посмотреть на сайте: http://www.nkj.ru/archive/articles/5029/).
Новизной предлагаемого изобретения является то, что впервые используют для измерений толщины граничного слоя воды прорыв слоя жидкости поверхностно-активным веществом из газовой фазы.
Экспериментальными исследованиями установлено, что перемещение воды поверхностно-активным веществом (ПАВ) из газовой фазы происходит только в том случае, если ПАВ взаимодействует с молекулами жидкости, которая «структурирована» на границе раздела фаз. Поверхностно-активное вещество, взаимодействуя с водой, адсорбируется на ее поверхности. Если молекулы воды условно «неподвижны» и образуют какую-либо структуру, то перемещаемая жидкость ведет себя как твердое вещество. Молекулы ПАВ адсорбируются на такой структуре и разрушают ее, встраиваясь в эту структуру. Причем, вновь образованная структура с внедренными молекулами ПАВ может существовать достаточно длительное время. По результатам экспериментальных исследований время составляет до 20 секунд. При встраивании ПАВ в структуру воды происходит разрушение структуры последней и слой разрушенной структуры начинает перемещаться под действием расширяющегося слоя новой структуры с внедренными в структуру воды молекулами ПАВ. Перемещение может происходить по поверхности граничных слоев предыдущей структуры. Это хорошо видно на кадрах видеосъемки в виде кольцевых расширяющихся структур (см. фиг.1 и 2). Такое постепенное разрушение структурированного слоя молекул приводит к прорыву слоя воды (см. фиг.3) до поверхности, на которой вода находится только в том случае, если структурированный от взаимодействия воды с газовой фазой слой соприкасается с нижележащим структурированным слоем воды, взаимодействующей с материалом поверхности, на которой вода находится (см. фиг.4). Если между этими «структурированными» слоями имеется слой «подвижной» воды, не входящей в структурированные слои, то прорыва всего слоя воды не происходит, так как молекулам ПАВ невозможно закрепиться и начать сдвиг слоев. Они просто растворяются в неструктурированной подвижной части молекул воды. Но возможность прорыва всей толщины сохраняется и в этом случае, если количество ПАВ будет достаточно большим и поверхностно-активное вещество успеет создать структуру вместе с водой, например, скорее всего в виде пленки типа мыльного пузыря, способную перекрыть подход свободных молекул воды в место прорыва. Поэтому количество ПАВ, подходящее к поверхности воды из капилляра, должно быть ограничено только внутренним диаметром капилляра, и отсутствовать с внешней его поверхности. Это стабилизирует процесс перехода молекул ПАВ в газовую фазу. И соответственно процесс прорыва будет проходить в одинаковых условиях во всех экспериментах. Используя это, можно регулировать количество ПАВ, попадающих в точку прорыва, изменяя расстояние над поверхностью воды края капилляра с ПАВ. Возможно, что ПАВ попадает на поверхность воды в виде микро- или нанокапель.
Перемещение воды под действием поверхностно-активных веществ можно представить как «разбегание» молекул поверхностно-активного вещества под действием сил отталкивания. Этим же объясняется стремление молекул ПАВ вглубь воды и пробивание слоя молекул воды, находящихся в структурированном состоянии. После (прорыва) прободения слоя структурированных молекул воды молекулы ПАВ находят более устойчивую поверхность и начинают образовывать на этой поверхности слой, в котором молекулы ПАВ, отталкиваясь друг от друга и вовлекая в процесс молекулы воды, образуют пленку, которая, расширяясь, перемещает воду. Причем, это перемещение «разрезает» слой структурированных молекул воды и оставляет их на твердой поверхности в виде тонкого слоя, похожего на черную пленку, возникающую в мыльных пленках пузырей. Этот эффект виден визуально на последовательных кадрах (см. фиг.5 и 6). На фигуре 5 видно, как образовался слой воды, имеющий более темный цвет, чем остальная поверхность, а на следующем кадре (см. фиг.6) видно, что этот слой свернулся в каплю. Кроме того, перед прорывом образуются темные пятна (возможно, это темные пленки как в мыльных пузырях), именно в этих местах начинается прорыв слоя воды (см. фиг.7 и 8).
3
Для определения критической толщины изменяют толщину слоя воды на поверхности бумаги, монокристалла кремния (далее «кремний») и монокристалла LiNbO (далее «литий») от 0,2 до 0,6 мм. Высоту края капилляра над изучаемой поверхностью, с которой воздействовали на поверхность воды, изменяют от 1 до 4 мм.
Для бумаги предельная толщина слоя воды составила 0,4 мм (при 0,4 мм прорывается, а при 0,5 мм не прорывается). Для кремния 0,5 мм (при 0,5 мм прорывается, а при 0,6 мм не прорывается). Для лития 0,6 мм (при 0,6 мм прорывается, а при 0,7 мм не прорывается).
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунками в виде кадров, на которых изображены:
на фиг.1 - представлен кадр 22 с видом поверхности от воздействия ПАВ из газовой фазы и с образованием кольцевых структур;
на фиг.2 - представлен кадр 0099 с видом поверхности в момент прорыва слоя воды толщиной 0,4 мм на бумаге, при этом высота капилляра над поверхностью воды 2 мм;
на фиг.3 - представлен кадр 1090 с видом поверхности слоя воды толщиной 0,5 мм на бумаге, при котором прорыва нет, а высота капилляра над поверхностью воды 1 мм;
3
на фиг.4 - представлен кадр 1018 с прорывом слоя воды толщиной 0,6 мм на пластине из LiNbO «лития», при этом высота капилляра с ПАВ над поверхностью воды 1,0 мм;
3
на фиг.5 - представлен кадр 1134, на котором слой воды толщиной 0,7 мм на пластине из LiNbO «лития», прорыва нет, а высота капилляра с ПАВ над поверхностью воды 0,5 мм;
на фиг.6 - представлен кадр 1118, на котором слой воды толщиной 0,6 мм на пластине из монокристалла «кремния», прорыва нет, а высота капилляра с ПАВ над поверхностью воды 1,0 мм.
Предлагаемый способ определения толщины граничного слоя воды осуществляют следующим образом.
Для выполнения изобретения применяют известное устройство (см. патент RU №2362141, МПК G01N 13/06, опубл. 20.07.2009 г., бюл. №20).
На стол с регулируемым уровнем горизонтальности поверхности укладывают пластину из материала, свойства поверхности которого необходимо исследовать, либо пластину с кюветой или объектом-препаратом, на которые помещают измеряемый материал в виде пластины, возможно неправильной формы с непрерывной поверхностью, в которую можно вписать окружность с диаметром не менее 10 мм. Для удержания на исследуемой поверхности некоторого слоя воды толщиной, например, 0,1-1 мм на исследуемый материал или объект-препарат наносят окружность из гидрофобного вещества, если жидкость полярная, или гидрофильного вещества, если жидкость или растворы различных веществ, влияние которых необходимо исследовать, не полярные. При использовании для исследований образцов малой площади штангенциркулем измеряют их толщину и внешние размеры и укладывают на подготовленный для исследований объект-препарат или в кювету. Эти измерения используют для масштабирования. Образец размещают так, чтобы центр вписанной окружности в непрерывную площадь образца совпадал с центром объекта-препарата или кюветы. Для исследований плоских объектов неправильной формы объект-препарат и кювета кроме отметки центра должны содержать отметки, размещенные так, чтобы измеряемый образец размещался между этими отметками, и они были видны с обеих сторон объекта, либо по краям кюветы и объекта-препарата радиальные отметки диаметров или отметки параллельных линий, если кювета и объект-препарат выполнены не в виде окружности. Тогда изучаемый образец можно размещать так, чтобы отметки были видны только с одной стороны. В случае использования небольших объектов малых размеров измеряют их геометрические размеры, а образцы в кювете и на объекте-препарате размещают так, чтобы одно из измеренных направлений совпадало с линиями, проведенными перпендикулярно оптической оси объектива фиксирующей камеры. Это необходимо для правильного масштабирования измерений. Если испытанию подвергаются образцы большой площади, то масштабные отметки делают непосредственно на образцах. Это необходимо для масштабирования измеренных величин. Далее видеокамеру или кинокамеру настраивают так, чтобы край капилляра и масштабные линии были четко видны в видоискателе и по возможности занимали наибольшую площадь кадра (настройка резкости изображения). После настройки резкости изображения устанавливают линейку с ценой деления 1 мм и фиксируют камерой для последующего масштабирования измерений. Линейку устанавливают перпендикулярно оптической оси объектива, фиксирующей процесс камеры точно по диаметру окружности. После чего линейку убирают.
В ограниченную гидрофильным или гидрофобным веществом окружность вносят исследуемую воду в количестве, необходимом для создания слоя воды выбранной исследователем толщины над изучаемой поверхностью образца.
Точно над центром ограничивающей фигуры, например окружности, устанавливают капилляр по возможности точно в центр ограничивающей фигуры. Край капилляра устанавливают на высоте 1-4 мм от поверхности изучаемого материала. Осветитель рассеянного света с нанесенными на его светящуюся поверхность темными линиями в виде сетки или с установленной на светящейся поверхности осветителя сеткой из непрозрачного материала, или сеткой, нанесенной на прозрачный материал, устанавливают так, чтобы отраженное от поверхности исследуемой воды изображение сетки в фиксирующей камере было четко видно.
Капилляр заполняют изучаемым поверхностно-активным веществом, обмакивая капилляр в жидкость, содержащую ПАВ. Выдерживают капилляр до подвода к поверхности жидкости в течение 3-5 минут для испарения жидкости с поверхности капилляра.
Камеру включают на фиксацию изображения, и капилляр подводят к точке, в которой осуществляют прорыв. Желательно, чтобы эта точка совпадала с центром ограничительной фигуры. Кадры фильма, зафиксировавшие процесс прорыва, последовательно изучают, определяя расстояние от точки прорыва до края перемещаемого слоя воды, и в соответствии с масштабом переводят в единицы длины.
При работе с бумагой на нее наносят окружность с необходимым внутренним диаметром из гидрофобной краски, например раствор гудрона. Ширина линии ограничивающей фигуры 4-6 мм. Бумагу с нанесенной на нее ограничительной фигурой замачивают в растворителе, например в воде, в течение определенного времени, например 10 минут, и накладывают на стол или уложенную на него плоскопараллельную пластину (толстое стекло). При этом бумагу расправляют и из-под нее удаляют воздух выдавливанием с помощью стеклянной трубки с закругленными концами, например пипетка диаметром 10-15 мм, или другого приспособления, например валик для прикатывания фотографий для глянцевания. На площадь бумаги, ограниченную нанесенными линиями (окружность, квадрат), наносят исследуемую воду в количестве, необходимом для создания над изучаемым образцом слоя толщиной, определяемой условиями опыта. Включают фиксирующую видео или кинокамеру. В центр устанавливают капилляр, заполненный ПАВ, расположив его край на заданной высоте.
Таким образом, толщину слоя воды, находящейся во взаимодействии с веществом изучаемой поверхности, на которой вода находится, определяют по разности критической толщины слоя воды, при которой еще происходит прорыв этого слоя поверхностно-активным веществом из газовой фазы, и толщиной структурированного поверхностного слоя воды, равной 0,15 мм. Информацию о критической толщине слоя воды на изучаемой поверхности получают от взаимодействия поверхностно-активного вещества с поверхностью воды, фиксируя видео или кинокамерой процесс перемещения воды от подвода капилляра с поверхностно-активным веществом до окончания перемещения воды. Затем на покадровой развертке определяют время, необходимое для прорыва слоя воды, а толщину слоя воды увеличивают и определяют, при какой толщине воды прорыва слоя не происходит. За критическую толщину слоя воды принимают толщину, при которой еще происходит прорыв всей толщины воды.
Примеры, подтверждающие конкретное выполнение способа определения толщины граничного слоя воды.
Для осуществления примеров способа применяют известное устройство (см. патент RU №2362141, МПК G01N 13/06, опубл. 20.07.2009 г., бюл. №20).
Пример 1
Бумагу с нанесенной на нее ограничительной линией в виде окружности замачивают в дистиллированной воде в течение 10 минут и помещают ее на стол, установленный по уровню, удаляя из-под бумаги воздух прокатыванием стеклянной трубки с оплавленными концами. Фиксирующее процесс прободения слоя воды устройство - видео или кинокамеру, наводят на резкость по изображению центра фигуры. Внутрь ограничительного кольца точно в центр укладывают образец в виде плоской пластины монокристалла кремния с измеренной штангенциркулем толщиной, например, 0,95 мм и диаметром 30 мм. К пластине подводят край не заполненного поверхностно-активным веществом капилляра до касания им пластины монокристалла кремния. И поднимают капилляр на заданную исследователем высоту, затем капилляр отводят от измеряемого образца. В ограничительную окружность вносят воду в количестве, обеспечивающем толщину слоя над изучаемым образцом 0,3 мм с учетом объема самого образца. Капилляр заполняют ПАВ обмакиванием, выдерживают в атмосфере исследования в течение 5 минут, наблюдая за отсутствием ПАВ на внешней поверхности капилляра, или аккуратно снимают его фильтровальной бумагой, включают фиксирующую процесс прободения слоя воды камеру и подводят капилляр в центр изучаемого образца. Наблюдают за происходящими изменениями визуально. В случае прободения слоя воды ПАВ исследование продолжают, увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Толщина слоя воды стала 0,4 мм. Включают фиксирующую процесс видео или кинокамеру и подводят капилляр в точку измерения. Слой воды был пробит. Снова увеличивают количество воды до толщины слоя 0,5 мм. Подводят капилляр с ПАВ. Слой был пробит. Опять увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм и получают слой толщиной 0,6 мм. Эта толщина слоя не пробилась (см. фиг.6). Поэтому за толщину граничного слоя «структурированных» молекул воды принимают толщину 0,5 мм. Если увеличенный слой воды не прорывается, то за искомую величину принимают слой, который был пробит - предшествующую толщину слоя. Для монокристалла кремния он составил 0,5 мм. Следовательно, на монокристалле кремния толщина граничного «структурированного» слоя будет составлять 0,5 мм минус 0,15 мм = 0,35 мм.
Пример 2
3
3
Бумагу с нанесенной на нее ограничительной линией в виде окружности замачивают в дистиллированной воде и помещают ее на стол, установленный по уровню, удаляя из-под бумаги воздух прокатыванием стеклянной трубки с оплавленными концами. Фиксирующее процесс прободения (прорыва) слоя воды устройство - видео или кинокамеру, наводят на резкость по изображению центра фигуры. Внутрь ограничительного кольца точно в центр укладывают образец в виде плоской пластины монокристалла LiNbO (далее «литий») с измеренной штангенциркулем толщиной, например, 0,5 мм и линейной длиной 40 мм. К пластине подводят край не заполненного поверхностно-активным веществом капилляра до касания им пластины монокристалла кремния и поднимают капилляр на заданную исследователем высоту, после чего капилляр отводят от измеряемого образца. В ограничительную окружность вносят воду в количестве, обеспечивающем толщину слоя над изучаемым образцом 0,3 мм с учетом объема самого образца. Капилляр заполняют ПАВ обмакиванием, выдерживают в атмосфере исследования в течение 5 минут, наблюдая за отсутствием ПАВ на внешней поверхности капилляра или аккуратно снимают его фильтровальной бумагой, включают фиксирующую процесс прободения слоя воды видео или кинокамеру и подводят капилляр в центр изучаемого образца. Наблюдают за происходящими изменениями визуально. В случае прободения слоя воды ПАВ исследование продолжают, увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Толщина слоя воды стала 0,4 мм. Включают видео или кинокамеру и подводят капилляр в точку измерения. Слой воды был пробит. Снова увеличивают количество воды до толщины слоя над образцом 0,5 мм. Подводят капилляр с ПАВ. Слой был пробит. Опять увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Получают слой с толщиной 0,6 мм. Эта толщина слоя пробилась (см. фиг.4). Поэтому увеличивают толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Получают толщину слоя 0,7 мм. Слой не был пробит (см. фиг.5). За толщину слоя «структурированных» молекул воды на монокристалле LiNbO «лития» принимают толщину слоя 0,6 мм. Если увеличенный слой воды не пробивается, то за искомую величину принимают слой, который был пробит -предшествующий слой. Для монокристалла «лития» он составил 0,6 мм. Следовательно, толщина граничного «структурированного» слоя будет составлять 0,6 мм минус 0,15 мм = 0,45 мм.
Пример 3
Бумагу с нанесенной на нее ограничительной линией в виде окружности замачивают в дистиллированной воде и помещают ее на стол, установленный по уровню, удаляя из-под бумаги воздух прокатыванием стеклянной трубки с оплавленными концами. Для фиксирования процесса прободения (прорыва) слоя воды видео или кинокамеру наводят на резкость по изображению центра фигуры. К центру бумаги подводят край не заполненного поверхностно-активным веществом капилляра до касания. И поднимают капилляр на заданную исследователем высоту. Капилляр отводят от измеряемого образца. В ограничительную окружность вносят воду в количестве, обеспечивающем толщину слоя над изучаемым образцом 0,3 мм. Капилляр заполняют ПАВ обмакиванием, выдерживают в атмосфере исследования в течение 5 минут, наблюдая за отсутствием ПАВ на внешней поверхности капилляра, включают фиксирующую процесс прободения (прорыва) слоя воды видео или кинокамеру и подводят капилляр в центр изучаемого образца. Наблюдают за происходящими изменениями визуально. В случае прободения слоя воды ПАВ исследование продолжают, увеличивая толщину слоя воды над изучаемым образцом на 0,1 мм. Увеличивают толщину слоя воды на 0,1 мм. Толщина слоя воды стала 0,4 мм. Включают видео или кинокамеру и подводят капилляр в точку измерения. Слой воды был пробит (см. фиг.2). Увеличивают толщину слоя воды на 0,1 мм. Толщина слоя воды стала 0,5 мм. Включают видео или кинокамеру и подводят капилляр в точку измерения. Если увеличенный слой воды не пробивается (см. фиг.3), то за искомую величину принимают слой, который был пробит - предшествующий слой. Для бумаги он составил 0,4 мм. Следовательно, толщина граничного «структурированного» бумагой слоя будет составлять 0,4 мм минус 0,15 мм =0,25 мм.
Таким образом, появляется возможность определить толщину слоя воды, при которой действие молекулярных сил вещества поверхности, на которой находится вода, прекращается. Полученные результаты согласуются с измерением краевого угла смачивания. Для «лития» он составил 45°, для «кремния» 55°. Чем меньше краевой угол смачивания, тем интенсивнее материал взаимодействует с водой, тем более толстый будет граничный слой структурированных молекул.
Предлагаемый способ определения толщины граничного слоя воды позволяет:
- оценить толщину граничного слоя воды на поверхностях с разными свойствами путем определения дальности распространения межмолекулярных сил поверхности в воду с использованием способности поверхностно-активных веществ перемещать воду, находясь в газовой фазе в виде нанокапель;
- разработать на этой основе новые методы и способы применения нанотехнологий для химических и энергетических целей, получения новых знаний;
- определить границы распространения слабых межмолекулярных сил.
Предлагаемый способ определения толщины граничного слоя воды можно использовать в химической промышленности при производстве моющих средств, кожевенной и меховой, легкой промышленности при производстве тканей и изделий из них, пищевой, медицине, ветеринарии, при производстве лаков и красок, строительной индустрии, в учебных заведениях для получения новых знаний.