Обязательный курс «КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ»

36 час

Составитель: проф., д.ф.м.н. О.И.Виноградова, Химфак МГУ и ИФХЭ РАН

АННОТАЦИЯ

Наука о коллоидах и поверхностях (Colloid and Interface Science в англоязычной

литературе) изучает микро- и наногетерогенные системы, в которых взаимодействия

между фазами и/или явления на межфазной границе являются доминирующим аспектом поведения. Коллоидными системами является большинство окружающих нас объектов, от агропочв, пищевых продуктов, косметики и лекарств, до биологических клеток. Цель курса – дать междисциплинарное представление об основных явлениях, определяющих поведение таких систем и лежащих в основе современных нанотехнологических приложений. В курс включены разделы, посвящённые термодинамике поверхности, капиллярности и смачиванию, гидродинамике тонких плёнок, межфазным транспортным явлениям, поверхностным силам, устойчивости коллоидов и тонких плёнок, мицеллам, эмульсиям и пенам, адгезии. Курс состоит из вводной лекции и нескольких тематических блоков.

Основная литература 1. The Colloidal Domain: Where Physics, Chemistry, Biology, and Technology Meet (Advances in Interfacial Engineering) by D. Fennell Evans, Hkan Wennerstrm 2. Intermolecular and Surface Forces, Second Edition: With Applications to Colloidal and Biological Systems (Colloid Science) by Jacob N. Israelachvili 3. Foundations of Colloid Science. 2nd ed.; Oxford University Press: Oxford, by Robert J.

Hunter

ПРОГРАММА КУРСА

Междисциплинарность. Классификация и примеры коллоидных объектов и систем, их особенности. Методы исследований и их эволюция. Традиционные приложения (флотация минералов, лаки и краски, пищевая и кожевенная промышленности, косметика, фармацевтика и др.). Современные приложения: микрофлюидика, нанобиомеханика, искусственные гекконы и др.

Блок 1: Капиллярность и смачивание (5 лекций).

Лекция 2. Поверхностное натяжение (3 часа) Поверхностная энергия жидкостей. Структура поверхностного слоя жидкости. Поверхностное и межфазное натяжение.

Уравнение адсорбции Гиббса. Изотермы адсорбции.

Поверхностное натяжение растворов поверхностно-активных веществ и электролитов. Влияние температуры на поверхностное натяжение. Уравнение Лапласа. Гомогенная и гетерогенная нуклеация. Уравнение Кельвина. Капиллярность и гравитация.

Капиллярная длина. Число Бонда.

Лекция 3. Смачивание. Статика (3 часа) Основные наблюдения и понятия. Неполное смачивание и контактный (краевой) угол. Полное смачивание. Параметр растекания. Переход смачивания. Закон Юнга. Жидкие линзы и конструкция Ноймана. Высокоэнергетические и низкоэнергетические поверхности. Критерий Зисмана. Способы изменения краевого угла (химическая и физическая модификация поверхностей, температура, электрический потенциал) Гидрофобные и гидрофильные поверхности. Лужи. Мениск жидкости. Капиллярный подъём и закон Джурина. Капиллярное притяжение. Эластокапиллярность. Методы измерения поверхностного натяжения.

Лекция 4. Реальные поверхности (2 часа) Наступающий и отступающий краевой угол. Гистерезис контактного угла и pinning. Химическая неоднородность и шероховатость как причина гистерезиса. Следствия pinning и гистерезиса (stick-slip, эффект кофейных пятен и др.). Шероховатые поверхности. Методы изготовления.

Беспорядочная, периодическая и фрактальная шероховатость.

Комбинация шероховатости и гидрофобности: супергидрофобность.

Эксперимент Деттре и Джонсона. Состояние и уравнение Венцеля.

Эффект «Лотоса», состояние и уравнение Касси. Периодические поверхностные текстуры. Подвижность капель на поверхностях Касси. Переход КассиВенцель. Условие пропитки поверхностных текстур. «Жемчужные» капли.

Лекция 5. Межфазная гидродинамика (4 часа) Основы гидродинамики. Уравнения Навье-Стокса.

Инерционные и вязкие эффекты. Число Рейнольдса.

Граничные условия: три типа межфазных границ.

Инерционные течения. Число Вебера. Осцилляции капель, разрыв мыльных плёнок, инерционная пропитка. Вязкие течения. Теория смазки. Точные и скейлинговые решения одномерных задач гидродинамики: Уравнения Пуазейля и Дарси. Спонтанное смачивание. Капиллярная пропитка (закон Вашбурна). Капиллярное растекание (закон Таннера). Гравитационное растекание. Вынужденное смачивание.

Капиллярное число. Динамический краевой угол. Нанесение покрытий: dip coating в капиллярном (модель Ландау-Левича-Дерягина) и гравитационном (модель Дерягина) режиме, spin coating.

Лекция 6. Межфазные неустойчивости (3 часа) неустойчивости (Рэлея-Плато). Неустойчивости из-за внешних неустойчивости: вязкие «пальцы» (Тейлора-Саффмана), размер градиентов поверхностного натяжения (Марангони) и краевого Блок 2: Плёнки и прослойки. Устойчивость (2 лекции) Лекция 7. Поверхностные силы, расклинивающее давление и смачивание (3 часа) Смачивание и дальнодействующие силы. Изменение толщины плёнки, энергия взаимодействия и расклинивающее давление.

Методы измерения расклинивающего давления. Натяжение дальнодействующих сил в явлениях смачивания: Dewetting, структура трёхфазного контакта, плёнки на шероховатой Лекция 8. Типы поверхностных сил и их измерение. Устойчивость коллоидов и тонких плёнок (4 часа) Модель «только противоионы» Гуи-Чепмена. Длина ГуиЧепмена. Двойной слой в присутствии соли: решение Симметричный и ассиметричный случай. Теория Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО). Поверхностные силы и расклинивающее давление не-ДЛФО природы:

энтропийное отталкивание липидных бислоёв, стерическое отталкивание и depletion притяжение в полимерных жидкостях, гидрофобное притяжение, осциллирующие взаимодействия. Гидродинамические силы (задачи Тейлора и Рейнольдса). Принципы измерения поверхностных сил (равновесный и динамический методы, метод «захлопывания»). Аппарат для измерения поверхностных сил (SFA). Атомно-силовая микроскопия (AFM). Устойчивость коллоидов и тонких плёнок. Быстрая и медленная коагуляция (теория Смолуховского). Динамическая коагуляция.

Блок 3: Электрокинетические (и другие межфазные транспортные) явления (2 лекции).

Лекция 9. Электрокинетические явления (3 часа) «Классические» линейные электрокинетические явления. Двойной слой как плоский конденсатор (модель Гельмгольца). Дзетапотенциал. Плоскость скольжения. Электроосмос (теория Смолуховского). Токи и потенциалы течения. Электрофорез.

Электрокинетика в наноканалах. Современные направления.

Электроосмос индуцированного заряда и другие нелинейные электрокинетические явления (диэлектрофорез, электрокинетика Лекция 10. Другие межфазные транспортные явления (2 часа) Современные приложения. Методы исследований (микро-PIV, AFM/SFA, FCS).

Блок 4. Мицеллы, эмульсии и пены (2 лекции) Лекция 11. Поверхностно-активные вещества. Мицеллы, мыльные плёнки и пены ( часа) мицеллы. Температура Крафта. Самосборка в присутствии блок-сополимеров. Весы Лангмюра. Растворимые и нерастворимые монослои. Аггрегация на поверхности жидкость/газ. Мыльные плёнки. Утоньшение. Чёрные плёнки. Пены. Структура и геометрия. Plateau border. «Сухие» и «мокрые» пены. Изучение одномерных, двумерных и трёхмерных пен.

Лекция 12. Эмульсии (2 часа) Принципы эмульгирования («дробление» и «конденсация»).

миниэмульсии, связь с размером капель. Термодинамическая наночастиц, реакции полимеризации, биохимические реакции).

Эмульсии в (цифровой) микрофлюидике. Принципы приготовления эмульсий, управление коалесценцией, размером капель и перемешиванием в микроканалах. Приложения (непрерывный синтез микрочастиц, химическая стимуляция и регистрация, капсулирование клеток, «капли на чипе») Блок 5: Адгезия (1 лекция).

Лекция 13. Адгезия (2 часа) Разнообразие явлений адгезии: адгезия льда, клеток, гекконов, эластокапиллярность. Контакт упругих макроскопических тел.

Механический, термодинамический и скейлинговый подходы.

Адгезионный контакт: теория Дерягина-Муллера-Топорова (DMT), теория Джонсона-Кендалла-Робертса (JKR). Пределы Можиса-Дюгдаля (MD). Сложные эффекты и явления: адгезия плёнок и вязко-упругих тел, волны Шалламаха, неустойчивость Тейлора-Саффмана.