№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | ||||||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | |||
1. | Дипломный проект | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
5. Содержание дисциплины.
Модуль 1
Тема 1. Объекты исследования микро - нанофлюидики (введение). Основные наблюдения и понятия. Общая характеристика и классификация физических объектов и процессов, относящихся к междисциплинарной области микро - нанофлюидике.
Тема 2. Межфазная поверхность жидкость/газ и жидкость/жидкость. Статика. Поверхностная энергия жидкостей. Структура поверхностного слоя жидкости. Поверхностное и межфазное натяжение. Закон Юнга. Мениск жидкости. Капиллярный подъём. Методы измерения поверхностного натяжения.
Тема 3. Испарение и конденсация. Аэрозоли. Гомогенная и гетерогенная нуклеация. Классификация ядер конденсации. Конденсационный рост капель. Методы измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц.
Тема 4. Поверхностно-активные вещества. Поверхностное натяжение растворов поверхностно-активных веществ и электролитов. Влияние температуры на поверхностное натяжение. Уравнение Лапласа. Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Классификация. Практические свойства. Агрегация ПАВ.
Тема 5. Эффекты Марангони. Основы гидродинамики. Уравнения Навье-Стокса. Капиллярные и гравитационные волны. Ячейки Бенара. Эффект Плато-Гибса-Марангони. Течения, обусловленные градиентом поверхностного натяжения.
Тема 6. Реология жидких сред. Течение жидкостей в микроканалах. Вязкие течения. Теория смазки. Вязкие неустойчивости: вязкие «пальцы» (Тейлора-Саффмана). Инерционные и вязкие эффекты.
Модуль 2
Тема 7. Безразмерные числа в межфазной гидродинамике. Рассматриваются наиболее часто применяемые в микрофлюидике безразмерные числа: Фурье, Пекле, Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа, Фруда, Струхала, Якоба, Бонда, капиллярности, Марангони, Кнудсена.
Тема 8. Коллоидные системы. Устойчивость коллоидов. Коагуляция. Сферические мицеллы. Критическая концентрация мицеллообразования. Форма мицелл. Самосборка. Пены.
Тема 9. Тонкие пленки и прослойки. Расклинивающее давление. Мыльные плёнки. Чёрные плёнки. Поверхностные силы и расклинивающее давление. Методы измерения расклинивающего давления.
Тема 10. Межфазная граница жидкость/твердое тело. Краевой угол смачивания. Уравнение адсорбции Гиббса. Изотермы адсорбции. Гидрофобные и гидрофильные поверхности. Наступающий и отступающий краевой угол. Гистерезис контактного угла. Способы изменения краевого угла (химическая и физическая модификация поверхностей).
Тема 11. Диффузиофорез. Термофорез. Термо - и диффузионный механизмы осмоса. Осмотическое давление. Капиллярный осмос. Диффузиофорез. Термоосмос и термофорез.
Тема 12. Электрокинетические явления. Двойной электрический слой. Электроосмос. Электрофорез. Диэлектрофорез. Электрокинетические течения вблизи гидрофобных поверхностей.
Модуль 3
Тема 13. Пленки Ленгмюра-Блоджетт. Молекулярные слои Ленгмюра-Блоджетт. Полиморфизм монослоя. Поверхностное давление. π-А-изотермы. Весы Лангмюра. Перенос монослоев на твердые подложки. Области применения.
Тема 14. Компоненты микрофлюидных устройств (клапаны, насосы, сенсоры и др.). Проблемы течения и перемешивания в каналах малой толщины. Межфазные транспортные явления. Методы исследований (микро-PIV, AFM/SFA, FCS).
Тема 15. Лаборатория на чипе (lab-on-a-chip). Наночастицы и наноструктуры в аналитических микрочипах. Микрофлюидные чипы для ПЦР. Биосенсоры. Электрофоретическое разделение ДНК на микрофлюидном чипе.
Тема 16. Физические основы и приборная реализация метода фотеконскопии. Фотеконограмма. Режим воздействия. Технические характеристики многоцелевого анализатора жидкостей «Фотекон». Обратная задача фотеконскопии. Классификация режимов измерения. Области применения метода фотеконскопии.
Тема 17. Технологии на основе диссипативной структуры «капельный кластер». Метод визуализации течений вблизи межфазной поверхности жидкость-газ. Метод сверхточного дозирования растворов лекарственных и биологически активных веществ. Метод детектирования аэрозольных наночастиц.
6. План лабораторных занятий.
Лабораторная работа№ 1. Капиллярные волны на поверхности тонкого горизонтального слоя жидкости.
Лабораторная работа№ 2. Диссипативная структура «ячейки Бенара»
Лабораторная работа№ 3. Термо - и концентрационно-капиллярные течения жидких пленок
Лабораторная работа№ 4. Термо - и концентрационно-капиллярный дрейф капель и пузырьков в ячейке Хеле-Шоу
Лабораторная работа№ 5. Гистерезис краевого угла смачивания
Лабораторная работа№ 6. Основы метода фотеконскопии
Лабораторная работа№ 7. Диссипативная структура «Капельный кластер»
7. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).
7.1 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля)
Данной рабочей программой предусмотрена самостоятельная работа в объеме 33 часа. В соответствии с Положением о самостоятельной работе студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет», под самостоятельной работой студентов (далее СРС) понимается «учебная, научно-исследовательская и общественно-значимая деятельность студентов, направленная на развитие общих и профессиональных компетенций, которая осуществляется без непосредственного участия преподавателя, хотя и направляется им».
СРС проводится с целью формирования общекультурных и профессиональных компетенций, понимаемых как способность применять знания, умения и личностные качества для успешной деятельности в определенной области, в том числе:
· формирования умений по поиску и использованию справочной и специальной литературы, а также других источников информации;
· качественного освоения и систематизации полученных теоретических знаний, их углубления и расширения по применению на уровне межпредметных связей;
· формирования умения применять полученные знания на практике (в профессиональной деятельности) и закрепления практических умений студентов;
· развития познавательных способностей студентов, формирования самостоятельности мышления;
· развития активности студентов, творческой инициативы, самостоятельности, ответственности и организованности;
· формирования способностей к саморазвитию (самопознанию, самоопределению, самообразованию, самосовершенствованию, самореализации, саморегуляции);
· развития научно-исследовательских навыков;
· развития навыков межличностных отношений.
Студентам предлагаются следующие формы СРС:
· изучение обязательной и дополнительной литературы;
· выполнение самостоятельных заданий;
· самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий;
· выполнение самостоятельных заданий на лабораторных занятиях;
· решение задач;
· подготовка ко всем видам контрольных испытаний, в том числе к текущему контролю успеваемости (в течение семестра), промежуточной аттестации (по окончании семестра);
· подготовка к итоговой государственной аттестации, в том числе подготовка к государственным экзаменам, выполнение выпускной квалификационной работы;
· подготовка к сдаче зачета.
Результаты СРС могут быть представлены в форме реферата по теме.
7.2 Типы заданий для самостоятельной работы (примерные)
1. Проработать лекции.
2. Работа с учебной литературой.
3. Решение задач.
4. Выполнение лабораторных работ.
5. Подготовить презентацию.
6. Подготовить доклад по предложенным темам.
При необходимости обратиться за консультацией к преподавателю.
7.3 Формы текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
В качестве форм текущей аттестации используются такие формы, как проверка лабораторных работ, решение задач, устные опросы, проверка домашних заданий.
Промежуточный контроль имеет форму лабораторных работ, решение задач, в которых оцениваются уровень овладения обучающимися знаниями по предмету.
В соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет», во время последней контрольной недели семестра преподаватель подводит итоги работы каждого студента и объявляет результаты студентам. Однако если студент желает улучшить свой рейтинг по дисциплине, ему предоставляется право набрать дополнительные баллы – пересдать лабораторные работы, решить задачи, выполнить дополнительные задания и т. п.
Поскольку дисциплина преподается в течение одного семестра, для выставления итоговой оценки на зачете выводится средний балл по дисциплине. В случае если средний балл составляет менее 61, студенту предоставляется право сдавать зачет, и оценка выставляется непосредственно по его результатам.
Итоговый контроль (экзамен) проводится в устно-письменной форме. Экзамен включает письменную часть – решение задач по теме. Устная часть экзамена оценивает полученные знания по дисциплине путем собеседования с преподавателем.
7.4. Примерные вопросы к экзамену
1. Поясните термины «Свободная поверхность» и «Поверхностное натяжение жидкости»?
2. Можно ли считать свободной поверхностью границу раздела двух не смешивающихся жидкостей?
3. Опишите основные свойства капиллярных волн.
4. Поясните физический смысл дилатационного модуля упругости пленки поверхностно-активного вещества.
5. Как зависит коэффициент затухания капиллярных волн от концентрации поверхностно-активного вещества? Объясните поведение этой зависимости.
6. По каким траекториям движутся жидкие частицы при распространении капиллярной волны?
7. Расскажите о методе измерения поверхностного натяжения, основанном на регистрации параметров капиллярных волн.
8. Расскажите историю открытия конвективных ячеек Бенара.
9. Какие механизмы конвективной неустойчивости могут реализовываться в однокомпонентных жидкостях? Если жидкость многокомпонентная?
10. Опишите процессы в горизонтальном слое жидкости со свободной поверхностью, происходящие по мере повышения температуры дна.
11. Выпишите систему уравнений, описывающую конвекцию Бенара-Марангони?
12. Что такое безразмерное число Марангони? В чем его физический смысл?
13. Какие типы конвективных ячеек Вы знаете?
14. Воспроизведите математическую постановку задачи об одномерном пленочном термокапиллярном течении.
15. Запишите и прокомментируйте формулы для вычисления скорости пленочных течений термо - и концентрационно-капиллярной природы. В чем их принципиальное отличие?
16. Что такое коэффициент адсорбции и как он влияет на направление пленочных течений?
17. В каких системах может наблюдаться явление, получившее название термоосмос? Капиллярный осмос?
18. В каких природных процессах наблюдается самопроизвольный дрейф капель и пузырьков, порождаемый свойствами поверхности раздела фаз.
19. Запишите формулу для вычисления скорости термокапиллярного дрейфа пузырька. Какие параметры системы оказывают наиболее сильное влияние на данную скорость.
20. В чем схожесть и в чем отличия термо - и диффузионно-капиллярных механизмов движения капель и пузырьков.
21. Запишите и прокомментируйте формулу для вычисления скорости концентрационно-капиллярного дрейфа пузырька.
22. Если в жидкости существует градиент концентрации примеси, повышающей поверхностное натяжение, в каком направлении в этом случае будет двигаться газовый пузырек?
23. Поясните термин «диссипативная структура».
24. Какие классические диссипативные структуры Вы знаете?
25. Опишите основные параметры типичного капельного кластера.
26. Перечислите физические механизмы, которые теоретически могут быть ответственны за устойчивость капель к коалесценции.
27. Какие процессы на Ваш взгляд могут давать эффект «мгновенного» исчезновения участков кластера, включающих десятки и сотни микрокапель?
28. Расскажите о научно-практических приложениях, в которых может найти применение диссипативная структура капельный кластер.
8. Образовательные технологии.
В соответствии с требованиями ГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Микро - и нанофлюидика» предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:
· лекции;
· лабораторные занятия.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
9.1. Основная литература:
1. Сумм коллоидной химии. М., И. Ц. «Академия». 20с.
9.2.Дополнительная литература:
1. Ребиндер труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. М., Наука. 19с.
2. , Микроэмульсии. Структура и динамика. - М.: Мир. 19с.
3. Миронов сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 20с.
4. Суздалев : физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 20с.
5. Абрамзон -активные вещества. - Л.: Химия. 19с.
6. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 19с.
7. , Федорец и концентрационно-капиллярные течения в тонких слоях жидкости. - Тюмень.: Издательство Тюменского государственного университета, 20с.
8. Ролдугин поверхности. - Долгопрудный.: Издательский дом «Интеллект», 20с.
9. Сергеев . - М.: Издательство МГУ, 20с.
10. Федорец . Тепломассоперенос в жидких пленках и каплях: Учебно-методические рекомендации для студентов физического факультета. - Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 20с.
9.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
1. Альбом течений жидкости и газа. http://www. imec. *****/content/nio/VanDaik
2. Микрофлюидика. http://www. *****/2008/12/30/mikrofluidika_55128.html
3. eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://*****/
10. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, лабораторная аудитория, лабораторная экспериментальная установка «Кластер», многоцелевой анализатор жидкостей «Фотекон».
Дополнения и изменения в рабочей программе на 201 / 201 учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры ____________________ « »_______________201 г.
Заведующий кафедрой ___________________/___________________/
О.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
