СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ ИСПАЛЯТОРОВ Российский патент 2006 года по МПК G02B1/06 G01N13/02 

Изобретение относится к физике тонких пленок, а точнее к жидким пленкам, поверхностное натяжение которых чувствительно к их составу и к составу окружающей атмосферы.

Известен большой класс устройств с чувствительными жидкими поверхностями, названных испаляторами (сокращение от слов «испаритель+осциллятор»). В них изменение свойств жидкой поверхности, ее локального натяжения, проявляется в образовании быстрых потоков, вызванных так называемым эффектом Марангони. Схема работы и возможные применения испаляторов рассмотрены, например, в [1-4].

Тонкие пленки испаляторов, обладающие повышенной чувствительностью к окружающей атмосфере, представляют интерес не только как химические и термодатчики, но и как нелинейные светопроводящие среды для лазерных поляритонов, как добавки для улучшения смазки и уменьшения трения, они могут использоваться для изготовления художественных картин, для марангоновской сушки полупроводниковых пластин, для создания сложных оптических поверхностей и для лечения респираторных заболеваний [1-5].

В литературе [1-4] описано несколько способов получения жидких испаляторов с чувствительной поверхностью.

Известен способ изменения поверхностного натяжения растворов в объемных испаляторах с помощью находящихся над ними фторуглеродных газов (при давлениях от нескольких торр и выше) [1-3]. Однако создаваемые этим способом объемные испаляторы имеют невысокие скорости поверхностных потоков из-за тормозящего воздействия нижележащих подповерхностных слоев жидкости, и этот способ связан с использованием дорогостоящих фторуглеродных соединений.

Известен способ получения пленочных испаляторов из водных мыльных растворов, заключающийся в том, что к воздуху около этих пленок в открытых и замкнутых объемах добавляют фторуглеродный газ (при давлениях от нескольких торр и выше), что делает их поверхностное натяжение очень чувствительным к температуре [4] -прототип) и позволяет получать высокие скорости потоков при малом изменении окружающих условий, но он также связан с использованием дорогостоящих фторуглеродных соединений.

Представляет интерес создание чувствительных пленочных испаляторов с высокими скоростями потоков при малом изменении окружающих условий, но не связанных, как в прототипе, с использованием дорогостоящих фторуглеродных соединений.

Задачей изобретения является создание чувствительных пленочных испаляторов на основе новых более дешевых сред, с высокой стабильностью в широком диапазоне температур, что позволяет расширить область их применения.

Для решения поставленной задачи предлагается использовать жидкие пленки из обычных растворов с поверхностно активными веществами (ПАВ) типа мыла или химически чистых серфактантов, но с особой специальной добавкой, и изменять их поверхностное натяжение не внешними газами, типа фторуглеродов, а подобранным внутренним составом пленки, и для этого включить в состав мыльного раствора для пленок хорошо смешивающегося с водой нового для таких растворов компонента - диметилсульфоксида (ДМСО), (СН₃)₂SO, объемная доля которого к воде составляет 0.01-0.5 частей или (1-50)%.

Описанные в литературе мыльные растворы для пленок и пузырей могут включать разнообразные компоненты, подробно перечисленные, например в [6], но ДМСО среди них не рассматривается. Суть изобретения состоит именно в добавке к мыльному раствору ДМСО и заключается в следующем.

ДМСО - это хорошо изученное мало летучее химически стойкое безвредное соединение [7], которое широко используется в медицине, например, для увеличения проникающей способности лекарств через кожу. Оно смешивается с водой в любых пропорциях и при увеличении концентрации плавно уменьшает поверхностное натяжение воды [8]. И наоборот, добавление воды к ДМСО обычным образом плавно увеличивает поверхностное натяжение получаемого раствора. Однако в мыльном растворе добавка ДМСО ведет себя иначе и крайне неожиданно.

Мыльный раствор для пузырей и пленок обычно имеет поверхностное натяжение около 35-30 дин/см, т.е. заметно меньше, чем у жидкого ДМСО (43.5 дин/см [9]), поэтому, согласно общепринятым представлениям, ДМСО со своим более высоким натяжением при добавке может только увеличивать поверхностное натяжение мыльного раствора и тем самым ухудшать его свойства. Но, как показывают наши исследования, при добавлении к любому мыльному раствору ДМСО ведет себя совершенно неожиданным образом - в мыльном растворе (это, например, раствор ПВА Тритон Х-100 в воде с объемным соотношением составляющих частей (0.01:1)) натяжение этого мыльного раствора с ростом концентрации ДМСО не растет, а уменьшается. Необычность свойств такого раствора отмечается и в случае, когда в раствор ПАВ "Тритон Х-100" в ДМСО (с объемным соотношением (0.01:1) - такой исходный мыльный раствор без воды не позволяет делать из него устойчивые пленки и пузыри), затем добавлять воду. Наличие ДМСО делает совершенно неожиданным и воздействие воды на поверхностное натяжение этого раствора. На фиг.1а, б показана зависимость величины поверхностного натяжения раствора от объемной доли в нем воды Х (0-100) в линейном по оси Х (а) и для наглядности логарифмическом (б) масштабе. Добавление воды с поверхностным натяжением 72 дин/см к исходному мыльному раствору без воды с натяжением 41-43 дин/см не увеличивает натяжение, не складывает парциальные значения этих натяжений, как обычно бывает для других смесей, а сначала при небольшом разбавлении резко уменьшает его почти в два раза, до 26 дин/см, а только затем после большого разбавления, когда объемное содержание воды увеличивается в 6-100 раз, натяжение раствора с добавлением воды (после пологого участка с двумя разнесенными минимумами) начинает увеличиваться. Следует отметить и то, что наличие ДМСО в растворе не сокращает, а заметно увеличивает время жизни пленок из такого мыльного раствора. Обнаружено, что такой раствор, с добавлением воды в количестве 1-20 исходных объемов (при этом разбавлении доля ДМСО в таком растворе меняется от 50 до 5%), позволяет делать устойчивые долгоживущие пузыри и пленки, а при добавлении воды в количестве 1.8-6 исходных объемов эти пленки отличаются повышенной стабильностью и не замерзают при температуре до минут 35°С. Аномальное уменьшение натяжения раствора с ростом концентрации воды свидетельствует о необычных и многократных структурных перестройках состава поверхности такого раствора при увеличении концентрации воды, что позволяет на его основе делать новые пленочные испаляторы в широком диапазоне температур без использования фторорганических соединений.

Если выдуть мыльный пузырь диаметром 1-5 см из такого раствора с повышенной стабильностью и поместить его на ровную поверхность этого же раствора, находящегося в открытом сосуде на воздухе, то он принимает хорошо знакомую форму дождевого пузырька (в виде полусферы на луже), но живет долго (часами и сутками), и в пленке пузыря сразу возникают бурные потоки, идущие со скоростью 1-10 см/с. Таким образом, он превращается в испалятор, работающий за счет переноса и испарения с его вершины наиболее летучей составляющей компоненты - воды. В объеме раствора много воды, и на границе с раствором внизу пузыря, контактирующий с раствором участок подсохшей пленки набирает воду. При этом с ростом содержания воды его натяжение уменьшается (как видно на фиг.1 при малым содержании воды), он из-за этого растягивается, становится тоньше, легче, и архимедова сила вытягивает его по поверхности наверх пузыря. Здесь наверху, где испарение воды в воздух происходит наиболее интенсивно, из-за потери воды натяжение увеличивается (как видно на фиг.1), пленка из-за этого стягивается, становится толще и под действием своего веса снова идет вниз к месту контакта пленки с раствором. Из пленки испаряется, в основном, вода, поскольку при комнатной температуре ее летучесть примерно в 40 раз более высокая, чем у ДМСО. Но и вода на воздухе испаряется чуть медленней, поскольку наличие в поверхностном слое пленки большого количества молекулы ДМСО несколько замедляют скорость испарения воды из пленки. Обнаруженная аномальная зависимость поверхностного натяжения раствора от концентрации воды обеспечивает многократное и непрерывное перемещение участков подсыхающей пленки, восполнение в них испаряющейся воды, что значительно увеличивает время ее жизни. Такой колебательный процесс потоков на пленочном испаляторе без видимого изменения скоростей идет на открытом воздухе по всему пузырю часами и сутками, но может проходить и в закрытом объеме при наличии в нем холодильника с соответствующими условиями конденсации и возврата в раствор испаренного вещества. Диаметр пузыря из-за проницаемости пленки для сжатого внутри воздуха постепенно уменьшается, но это не влияет на работу пленочного испалятора. В закрытом объеме без холодильника в равновесных условиях стойкий пузырь из такого раствора без потоков сохраняется сутками. При этом из-за дренажа раствора пленка постепенно уменьшает свою толщину до значений менее 80 нм, когда в отраженном света она выглядит черной, но и пузырь с черной пленкой сохраняется часами. Обнаружено, что пузырь из раствора с ДМСО в закрытом объеме с насыщенными парами воды живет дольше, если он наносится не на мыльный раствор одинакового с ним состава, а на поверхность почти чистой воды с малым содержанием мыла и ДМСО. Из-за особенностей обменных процессов на контактной границе при аномальной зависимости поверхностного натяжения раствора от концентрации воды дренаж пленки значительно замедляется и на некоторое время (2-5 часов) он в жидкой пленке практически совсем прекращается, что удобно для изучения нелинейных оптических свойств таких стационарных прозрачных пленок и прохождения в них лазерных поляритонов.

Пример 1. В широком открытом сосуде диаметром 10-20 см изготавливают (или в него наливают) раствор из ПАВ Тритон Х-100, воды и ДМСО в объемных пропорциях (0.01:2:1), который покрывает слоем толщиной более 0.1 мм дно сосуда, и на поверхности этого раствора выдувают пузырь диаметром 2-5 см. Пузырь в виде полусферы сразу начинает работать как испалятор с бурными потоками, идущими со скоростью 1-10 см/с вверх и вниз по его поверхности, которые вместе с пузырем сохраняются без уменьшения толщины пленки часами и сутками до заметного испарения раствора или одного из его компонент. Содержание ПАВ в растворе не критично для работы испалятора и может быть увеличено в десятки раз. Объемная доля ДМСО в этом растворе может составлять от 1 до 50% (но предпочтительнее 10-30%).

Пример 2. В широком открытом сосуде диаметром 10-20 см изготавливают (или в него наливают) мыльный раствор из жидкого мыла для мытья посуды «Бинго с глицерином», воды и ДМСО в объемных пропорциях (0.01:2:1), который покрывает слоем толщиной более 0.1 мм дно сосуда, и на поверхности этого раствора выдувают пузырь диаметром 2-5 см. Пузырь сразу начинает работать как испалятор с бурными потоками, идущими со скоростью 1-10 см/с вверх и вниз по его поверхности, которые вместе с пузырем сохраняются без уменьшения толщины пленки часами и сутками до заметного испарения раствора или одного из его компонент. Содержание мыла в растворе не критично для работы испалятора и может быть увеличено в десятки раз. Объемная доля ДМСО в этом растворе может составлять от 1 до 50% (но предпочтительнее 10-30%).

Такие же пленочные испаляторы получаются из любых других растворов мыла и химически чистых ПАВ при добавлении к ним в указанных пропорциях ДМСО, что свидетельствует о важной роли ДМСО в работе таких устройств.

Следует отметить, что, несмотря на широкий набор доступных мыльных водных и неводных растворов для пленок, на изученность ДМСО и на простоту экспериментов, существование стойких пленок или пленочных испаляторов с ДМСО в литературе не описано, никак не следует из известных теорий для поверхностного натяжения в рассмотренных ранее жидких смесях и не является очевидным следствием известных свойств ДМСО и мыльных пленок. Таким образом, предложен новый способ получения чувствительных к составу компонентов и к окружающим условиям пленочных испаляторов, работающих на тонких мыльных пленках из растворов с дешевыми составляющими без использования фторуглеродных газов.

Возможные применения.

Пленочные испаляторы могут работать как датчики влажности, как химические и термодатчики, могут использоваться как тонкие оптические поверхности сложной формы или как перегородки для разделения объемов с разным газовым составом, например, для защиты находящихся внутри объектов от пыли. Они, как и лазеры, являются самоорганизующимися динамическими системами, работающими с прокачкой энергии и массы, и изучение их свойств позволяет оценить характерные для таких устройств пороговые условия возникновения постоянных колебательных процессов в неравновесных физических системах.

Стремление таких пленок сосредотачиваться в области, где у них имеется наибольшая скорость испарения, например в наиболее нагретых местах, позволяет использовать их в качестве теплоиндикаторов и эффективных переносчиков энергии, а также смазок для уменьшения трения в механических устройствах. Пленочные испаляторы могут использоваться в качестве научных объектов для изучения двойного лучепреломления и фазовых переходов от толстых к тонким (черным) пленкам, для флотационных добавок, датчиков газов, влияющих на поверхностное натяжение жидкостей, для передачи оптической информации по узкоканальным лазерным поляритонам [10], для изучения свойств этого самосжатого поверхностного поляритонного излучения [11], а при добавлении к раствору молекул красителей как активные тонкопленочные лазерные среды для получения в них лазерной генерации [10, 11].

Высокая морозостойкость раствора позволяет применять его как антифриз и использовать в зимнее время как незамерзающие чернила для принтеров и для детских забав с мыльными пузырями на морозе. Постоянно меняющиеся красочные интерференционные картины на движущихся пленках с наблюдаемыми в отраженном свете играющими всеми цветами радуги потоками могут быть использованы в качестве привлекательных аттракторов, типа показанного на фиг.2, игрушек и для создания абстрактных динамично меняющихся кинозаставок и красочных художественных полотен.

Литература.

1. Стойлов Ю.Ю. Способ снижения поверхностного натяжения жидкостей. Патент РФ № 2114414 от 27.06.1998.

2. Стойлов Ю.Ю. Способ получения жидких оптических поверхностей. Патент РФ № 2115144 от 10.07.1998.

3. Стойлов Ю.Ю. УФН, 170, 41 (2000).

4. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Пленочные испаляторы. Квантовая электроника, 32, 463 (2002);

5. Стойлов Ю.Ю. Способ повышения работоспособности. Патент РФ № 2204998 от 16.02.2001.

6. Гомзарь И.М. Устройство и состав для пускания мыльных пузырей. Патент РФ № 2246335 от 24.06.2003

7. Кукушкин Ю.Н. Соросовский Образовательный Журнал, №9, 54 (1997). (см. http://www.issep.rssi.ru/pdi79709 054.pdf).

8. Johans С., Suomalainen P. Kibron Inc. Oy, June 24, 2003 (см. http://www.kibron.com/pdf/sensitivity.pdf)

9. htts://www.e-orgamcchemicals.com/thio/msds/literature/DMSO 6.pdf

10. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю., Способ получения поверхностных поляритонов. Патент РФ № 2239856 от 5.12.2002.

11. Стойлов Ю.Ю. УФН, № 12, 1359 (2004).

Изобретение относится к физике тонких пленок, а точнее к жидким пленкам, поверхностное натяжение которых чувствительно к их составу и к составу окружающей атмосферы. Техническим результатом является расширение области применения пленочных испаляторов за счет создания их на основе новых более дешевых сред с высокой стабильностью в широком диапазоне температур. Сущность изобретения заключается в том, что для получения чувствительных дешевых тонких пленочных испаляторов с новыми свойствами используют жидкие пленки из обычных растворов с поверхностно-активными веществами (ПАВ) типа мыла или химически чистых серфактантов, но со специальной добавкой - в состав мыльного раствора для пленок включают заметную пропорцию (1-50)% хорошо смешивающегося с водой компонента - диметилсульфоксида (ДМСО). 2 ил.

Способ получения пленочных испаляторов из водных растворов с поверхностно-активными веществами, отличающийся тем, что в водный раствор с поверхностно-активными веществами в качестве составляющей компоненты добавляют диметилсульфоксид (CH₃)₂SO в объемной пропорции к воде 1-50%.