Термо - и концентрационнокапиллярные течения в тонких слоях жидкости (стр. 4 )

5. Содержание дисциплины.

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. 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 4. Тонкие пленки и прослойки. Расклинивающее давление. Мыльные плёнки. Чёрные плёнки. Поверхностные силы и расклинивающее давление. Методы измерения расклинивающего давления.

Тема 5. Испарение и конденсация. Аэрозоли. Гомогенная и гетерогенная нуклеация. Классификация ядер конденсации. Конденсационный рост капель. Методы измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц.

Тема 6. Диффузиофорез. Термофорез. Термо - и диффузионный механизмы осмоса. Осмотическое давление. Капиллярный осмос. Диффузиофорез. Термоосмос и термофорез.

Тема 7. Эффекты Марангони. Основы гидродинамики. Уравнения Навье-Стокса. Капиллярные и гравитационные волны. Ячейки Бенара. Эффект Плато-Гибса-Марангони. Течения, обусловленные градиентом поверхностного натяжения.

Тема 8. 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 9. Реология жидких сред. Течение жидкостей в микроканалах. Вязкие течения. Теория смазки. Вязкие неустойчивости: вязкие «пальцы» (Тейлора-Саффмана). Инерционные и вязкие эффекты.

Тема 10. Коллоидные системы. Устойчивость коллоидов. Коагуляция. Сферические мицеллы. Критическая концентрация мицеллообразования. Форма мицелл. Самосборка. Пены.

Тема 11. 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 12. 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 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. Диссипативная структура «капельный кластер». Физические условия, необходимые для формирования капельного кластера. Процессы тепломассопереноса в капельном кластере.

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.

Тема 1. Капиллярные волны на поверхности тонкого горизонтального слоя жидкости. (4 часа).

Тема 2. Диссипативная структура «ячейки Бенара» (4 часа).

Тема 3. Термо - и концентрационно-капиллярные течения жидких пленок (4 часа).

Тема 4. Термо - и концентрационно-капиллярный дрейф капель и пузырьков в ячейке Хеле-Шоу (4 часа).

Тема 5. Гистерезис краевого угла смачивания (4 часа).

Тема 6. Основы метода фотеконскопии (8 часов).

Тема 7. Диссипативная структура «Капельный кластер» (4 часа).

Тема 8. Технические приложения на основе явления «капельный кластер» (4 часа).

7. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).

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 ФГОС 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;

· практические занятия;

· лабораторные занятия.

9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.

Перечень основной и дополнительной учебной литературы, включая электронно-библиотечные ресурсы (с исходными данными)

Основная литература:

Суздалев : физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 20с.

Сумм коллоидной химии. М., И. Ц. «Академия». 20с.

Дополнительная литература:

, Чемоданов диагностика жидкостей. - Тюмень.: Издательство Тюменского государственного университета, 20с.

, Федорец и концентрационно-капиллярные течения в тонких слоях жидкости. - Тюмень.: Издательство Тюменского государственного университета, 20с.

Миронов сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 20с.

Неволин нанотехнологии в электронике. - М.: Техносфера, 20с.

Ребиндер труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. М., Наука. 19с.

Ролдугин поверхности. - Долгопрудный.: Издательский дом «Интеллект», 20с.

Федорец . Тепломассоперенос в жидких пленках и каплях: Учебно-методические рекомендации для студентов физического факультета. - Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 20с.

, Микроэмульсии. Структура и динамика. - М.: Мир. 19с.

10. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).

Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, лабораторная аудитория, лабораторная экспериментальная установка «Кластер», многоцелевой анализатор жидкостей «Фотекон».

Карта компетенций

Код компетенции	Формулировка компетенции*	Результаты обучения в целом**	Результаты обучения по уровням освоения материала	Виды занятий (лекции, практические, семинарские, лабораторные)	Оценочные средства (тесты, творческие работы, проекты и др.)
минимальный	базовый	повышенный
ОК-1	способностью демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук	Знает: курс физики и основы математического анализа, стац. и нестац. тепломасообмен, конвекция, микромасштабной гидрогазодинамики, физико-химические методы исследования веществ	курс физики и математики, основы стационарного тепломассообмена, гидрогазодинамики	курс физики и курс высшей математики, основы нестационарного тепломассообмена, диф. уравнения конвекции, гидрогазодинамики	курс физики и основы математического анализа, стац. и нестац. тепломасообмен, конвекция, микромасштабной гидрогазодинамики, физико-химические методы исследования веществ	лабораторные занятия, лекции	решение учебных задач, комплексные ситуационные задания
Умеет: составлять математические модели физических процессов	применять знания об основных проблемах физики в простых жизненных ситуациях	применять знания об основных проблемах физики в сложных жизненных ситуациях	составлять математические модели физических процессов	лабораторные занятия, лекции	решение учебных задач, комплексные ситуационные задания
Владеет: компьютерными методами визуализации процессов	навыками работы с компьютерными программами для составления презентаций	технологией использования естественнонаучных знаний; владеет разными компьютерными способами сбора, обработки и представления информации	компьютерными методами визуализации процессов	лабораторные занятия, лекции	решение учебных задач, комплексные ситуационные задания
ОК-3	способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять своё научное мировоззрение	Знает: курс физики и основы математического анализа, основные понятия, закономерности и методы математического, физического и физико-химического моделирования физических систем и процессов	курс физики и математики, основные понятия, закономерности и методы математического моделирования изучаемых физических систем и процессов	курс физики и курс высшей математики, основные понятия, закономерности и методы физического моделирования физических систем и процессов	курс физики и основы математического анализа, основные понятия, закономерности и методы математического, физического и физико-химического моделирования физических систем и процессов	лабораторные занятия	отчет по лабораторной работе, курсовая работа
Умеет: составить программу, при решении научно-исследователь-ских задач производить необходимые вычисления на компьютере	самостоятельно выбирать адекватную модель изучаемой системы	составить алгоритм расчета, (при необходимости – воспользоваться известными пакетами прикладных программ)	составить программу, при решении научно-исследователь-ских задач производить необходимые вычисления на компьютере	лабораторные занятия	отчет по лабораторной работе, курсовая работа
Владеет: экспериментальными и теоретическими методами исследований микромасштабных процессов тепломассопереноса	системным представлением об изучаемом природном объекте и средствах измерения	методологией научного исследования и научного поиска	экспериментальными и теоретическими методами исследований микромасштабных процессов тепломассопереноса	лабораторные занятия	отчет по лабораторной работе, курсовая работа
ОК-5	способностью порождать новые идеи (креативность)	Знает: алгоритм генерации творческих задач	общую структуру научного метода	основные этапы творческого процесса	алгоритм генерации творческих задач	самостоятельная работа	написание эссе, рефератов, курсовых работ, кейс
Умеет: находить решения устранения противоречий	дискутировать и отстаивать собственную позицию	выделять противоречия между теорией и экспериментом	находить решения устранения противоречий	самостоятельная работа	написание эссе, рефератов, курсовых работ, кейс
Владеет: приемами анализа и синтеза	методами мониторинга	методами принятия нестандартных решений	приемами анализа и синтеза	самостоятельная работа	написание эссе, рефератов, курсовых работ, кейс
ПК-2	способностью использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности	Знает: экспериментальные и теоретические методы изучения процессов тепломассопереноса в гетерогенных микромасштабных системах	современные проблемы физики, новейшие достижения в области экспериментальной гидрогазодинамики и теплофизики	основные фундаментальные разделы физики, основы тепломассообмена и гидрогазодинамики, компьютерные технологии	экспериментальные и теоретические методы изучения процессов тепломассопереноса в гетерогенных микромасштабных системах	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, курсовая работа
Умеет: Модифицировать и разрабатывать новые методы, исходя из задач конкретного исследования, обрабатывать полученные данные, представлять итоги проделанной работы в виде отчетов, рефератов, статей	формулировать и решать задачи, возникающие в ходе научно-исследовательской деятельности	выбирать в зависимости от требуемых целей законы, формы, правила, приемы познавательной деятельности мышления;	Модифицировать и разрабатывать новые методы, исходя из задач конкретного исследования, обрабатывать полученные данные, представлять итоги проделанной работы в виде отчетов, рефератов, статей	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, курсовая работа
Владеет: навыками самостоятельной научно-исследовательской деятельности, требующей широкого образования в соответствующем направлении	навыками постановки научно-исследовательской задачи	сбором доступной информации, представленной в данных различной природы; навыками работы с основными научными категориями; навыками работы в офисных компьютерных программах (Word, Excel, Power Point и т. д.)	навыками самостоятельной научно-исследовательской деятельности, требующей широкого образования в соответствующем направлении	лабораторные работы	отчет по лабораторной работе, курсовая работа
ПК-3	способностью самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области физики (в соответствии с профилем магистерской программы) и решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования, информационных технологий с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта	Знает: физические основы, законы и явления изучаемого процесса, видит связь данного явления или процесса с подобными явлениями прикладной и фундаментальной физики	физические основы, законы и явления изучаемого процесса	физические основы, законы и явления изучаемого процесса, научные концепции, определяющие современный уровень знаний	физические основы, законы и явления изучаемого процесса, видит связь данного явления или процесса с подобными явлениями прикладной и фундаментальной физики	защита курсовых работ	курсовая работа
Умеет: анализировать и интерпретировать полученные результаты в ходе профессиональной научной деятельности	использовать знания для решения профессиональных научных задач	использовать полученные результаты эксперимента и анализировать их с известными теоретическими результатами или практическими расчетами	анализировать и интерпретировать полученные результаты в ходе профессиональной научной деятельности	защита курсовых работ	курсовая работа
Владеет: методами проведения качественного и количественного анализа; способами решения научных проблем	навыками классификации и обобщения основ, законов и явлений изучаемого процесса	навыками проведения эксперимента и анализом полученных данных	методами проведения качественного и количественного анализа; способами решения научных проблем	защита курсовых работ	курсовая работа

__________________

Зав. кафедрой _________________