eng
Обсуждаются результаты опытов, которые показывают необычные свойства желеобразных мыльно-желатиновых пленок, их прочность, долговечность, их применения для исследований лазерных треков и для других оптических приложений.
Теги: laser solitons light pressure thib films optical properties давление света лазерные солитоны оптические свойства тонких пленок
Продолжая исследования лазерных пространственных солитонов (треков), создаваемых световым давлением в мыльных пленках [1], мы опробовали пленки разного состава. Помимо простых свободных мыльных пленок в опытах были использованы мыльно-желатиновые пленки с добавкой глицерина с рядом необычных свойства, которые позволили нам замедлить в них движение лазерных треков и впервые прояснить природу их метаний [2]. Весьма полезной для изучения треков оказалась способность таких пленок в закрытых объемах в течение долгого времени (уже год) сохранять свою форму и оптические свойства, не изменяя их, что удобно для перепроверки свойств треков и для исследования влияний на них изменяющихся внешних условий. Было показано, что в такой пленке узкие треки образуются и с широкополосным белым светом. Одиночный трек в мыльно-желатиновой пленке впервые позволил продемонстрировать влияние на него модуляции возбуждающего лазерного света вплоть до рассыпания трека [2]. Эти работы являются продолжением исторических работ П.Н.Лебедева по наглядной демонстрации действия светового давления.
Интересными оказались свойства желатиновых пленок не только в закрытом объеме, но и на воздухе, когда из них испаряется вода. Опыты с такими пленками напрямую не связаны с лазерными треками, но интересны некоторыми другими особенностями. Как известно, обычные мыльные пузыри при испарении из них воды лопаются, а прозрачные радужные пузыри из такой желатиновой пленки после подсыхания не лопаются, а сохраняются в исходном виде неделями (рис.1), т.е. они являются привлекательными объектами, украшениями и игрушками для детей. Причем в отличие от ранее известных и застывающих до жесткого состояния на воздухе мыльных полимеризующихся пленок, которые при высыхании утрачивают упругость, сморщиваются и за сутки сдуваются, желатиновые пузыри и без воды сохраняют эластичность и через сутки могут быть еще заметно раздуты в диаметре. Это показывает, что тонкая желатиновая пленка упруга и мало проницаема для воздуха.
Подсохший материал пленок может быть заново при подогреве растворен в небольшом количестве воды и использован для повторных опытов. Тонкостенность, упругость и простота получения отличает мыльно-желатиновые пузыри от ранее известных толстостенных желатиновых полых шариков, изготавливаемых на надуваемых резиновых шарах трудоемким методом, каким получают папье-маше.
Отмеченная высокая эластичность, несвойственная простому студню из желатина, вызвана добавками к нему глицерина и мыла. В таком растворе возникает новая резиноподобная структура связей длинных молекул желатина и глицерина, уже отмеченная ранее [3]. А добавка подобранного мыла обеспечивает возможность получения из раствора тонких пленок и странную (подробнее обсуждаемую ниже) упругость таких пленок. Наблюдаемое необычное превращение студенистой массы в "тугой и мягкий" материал требует привлечения внимания специалистов в этой области [4].
Обращают на себя внимание и оптические свойства тонкой желатиновой пленки. Поскольку исходная и подсохшая мыльная пленка обладает гладкой поверхностью, то при ее даже частичном отражении она может служить зеркалом, радиус и фокусное расстояние которого можно изменять в широких пределах. Примеры таких зеркальных отражений от пленки показаны на рис.2. Но помимо зеркальности у желатиновой пленки обнаружилось еще одно удивительное свойство.
Толщина пленки, судя по цвету, где-то 5–10 мкм. О странной и, можно сказать, неожиданной прочности такой подсохшей пленки можно судить по нагрузке, которую она выдерживает (рис.3,4). В то время как для обычных водных мыльных пленок допустимая нагрузка определяется их поверхностным натяжением (двух поверхностей) и составляет около 0,07 г/см, желатиновая пленка без разрыва, как видно, выдерживает нагрузку около 1 г/см, которая явно на порядок больше и не может быть обеспечена простым поверхностным натяжением, а требует напряжения и внутри пленки.
При снятии нагрузки прогнутая пленка за секунды полностью восстанавливает свою исходную форму. По существу, пленка оказывается образцом необычной прозрачно-зеркальной резины с привлекательными возможностями ее применения для самых разнообразных оптических приложений.
Например, нагрузка на пленку может быть в виде жидкости, которая не взаимодействует с пленкой и которая, собираясь в центре пленки, превращается в жидкую линзу с переменным фокусным расстоянием (если менять под пленкой давление воздуха) (рис.4). Наливаемая жидкость может быть полимеризующейся, как эпоксидная смола, и после застывания на пленке она без дополнительной обработки превращается в неплохую, и что важно отметить, асферическую прозрачную линзу с оптически гладкими поверхностями и малым фокусным расстоянием (рис.5–7). Специалисты, знакомые с проблемами изготовления асферической оптики, могут оценить такой подарок природы.
Фактически в этих опытах желатиновая пленка как бы на порядок увеличивает поверхностное натяжение наливаемых на нее жидкостей или, иначе говоря, как бы на порядок уменьшает для них земное притяжение, и их капли из-за этого получаются большими. И если из обычных затвердевающих капель жидкостей раньше можно было делать только маленькие линзы (линзы Левенгука около 1 мм), то с пленкой капли становятся на порядок тяжелее и больше по размеру. При этом у них оказывается гладкой не только нижняя, но и верхняя контактирующая с воздухом ровная поверхность, чего у обычных капель не было.
О качестве изготовленной эпоксидной линзы диаметром 16 мм с фокусным расстоянием 5 мм можно судить по рис.5–7. При доработке технологии свойства таких линз, несомненно, могут быть улучшены.
Для приложений представляет интерес еще исследование тепло- и электропроводных свойств, прочности подсохших пленок с возможными добавками [6], а также способности дополнительно обработанных пленок контактировать и прилипать к различным поверхностям. Интересна также возможность получения из тянущегося застывающего мыльно-желатинового раствора длинных тонких нитей и световодов с прочностью паутины.
Теоретики предсказывают, что подобной упругостью и прочностью будут обладать совсем тонкие монослойные графеновые пленки, но до тех пор, пока графеновые пленки таких размеров недоступны, экспериментаторы могут заранее оттачивать свое мастерство с похожими по свойствам образцами мыльно-желатиновых пленок.
Желатиновые пленки, как показано, могут быть использованы как простой способ изготовления асферических линз, не имеющих сферической аберрации и находящих самое широкое применение [5]. Здесь требуется теоретическая проработка формы застывающих на пленке образцов, но сравнение опубликованной формы типичной асферической линзы [5] и фото застывающей эпоксидной смолы на рис.4 показывает их хорошее совпадение (рис.8).
Обнаружилась важная косвенная связь свойств мыльно-желатиновой пленки с лазерными треками вот в каком плане. Интересно то, что растянутый во времени процесс собирания жидкости в нарастающем прогибе на пленке является в некотором роде наглядной увеличенной моделью механизма образования лазерных треков в тонких пленках. В треках тоже есть прогиб, в котором собирается жидкость из окружающих областей. Поэтому теоретическое рассмотрение динамики сбора жидкости в стационарную форму в центре круглой горизонтальной гибкой мембраны представляет интерес для проработки динамики формирования лазерных треков из-за сходства гидродинамик этих двух процессов. Если на мембране жидкость собирается в центре нарастающего прогиба под действием гравитации и изменяющегося локального давления жидкости, то в области трека жидкость тоже собирается в выпячиваемой области пленки [1], но эта область выгиба создается за счет действия на поверхность пленки изменяющегося в процессе формирования светового давления. Таким образом, наличие решения задачи по трансформации плоской мембраны с небольшим слоем жидкости на ней в стационарную форму с прогибом в центре могло бы быть непосредственно использовано для описания процесса формирования утолщения пленки в области лазерного трека. Так желатиновая пленка может помочь в теоретическом описании формирования треков.
Эти неожиданные свойства раствора и пленки были оформлены в заявке на изобретение [7] с подробным описанием состава раствора, с отмеченными применениями для фундаментальных научных исследований лазерных солитонов в квантовой электронике, с возможными приложениями в оптике и механике, но оценивать перспективу широкого внедрения или практического применения изобретения пока трудно.
Надо ли повторять, что фундаментальная наука не нацелена на сиюминутную выгоду. Она работает на перспективу, и потребность в ней проявится в будущем вместе с ростом потребностей общества. И не вина изобретателей, что общество (точнее, его руководство) не сразу осознает потребность и перспективность предлагаемых новшеств.
За 50 лет работы в ФИАН я неоднократно патентовал новые изобретения, которые так и не нашли широкого применения. Хочу подчеркнуть, что трудности в доходной реализации изобретений не являются свидетельством их бесполезности. Плоды их применений обычно достаются потомкам. Но изобретатели – это люди особой природы, и их такие мелочи не останавливают. Они не могут не изобретать, так они устроены, таков их психотип [2].
Благодарю моих коллег А.В.Старцева, В.И. Ялового и А.П. Широких за помощь в проведении экспериментов с мыльно-желатиновой пленкой.
Литература
Стойлов Ю.Ю. Фотоника.– Фотоника, 2011, №1, 2.
Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Препринт №2, №12, 2014 – М. ФИАН, 2014.
www.papiermache.co.uk/forum/viewtopic.php?id=2849Gelatin-rubber.
Gong J.P. – Science, April 2014, v. 34411, p.161.
www.laserfocusworld.com/whitepapers/2014/05/all-about-aspheric-lenses.html. Все об асферической оптике.
www.amazon.com/How-Improve-Rubber-Compounds-Experimental/dp/1569903611Dick J.S. How to Improve Rubber Compounds. 2014.
Заявка на патент № 2014113886 от 08.04.2014. Способ получения мыльных растворов/ Ю.Ю.Стойлов.
Интересными оказались свойства желатиновых пленок не только в закрытом объеме, но и на воздухе, когда из них испаряется вода. Опыты с такими пленками напрямую не связаны с лазерными треками, но интересны некоторыми другими особенностями. Как известно, обычные мыльные пузыри при испарении из них воды лопаются, а прозрачные радужные пузыри из такой желатиновой пленки после подсыхания не лопаются, а сохраняются в исходном виде неделями (рис.1), т.е. они являются привлекательными объектами, украшениями и игрушками для детей. Причем в отличие от ранее известных и застывающих до жесткого состояния на воздухе мыльных полимеризующихся пленок, которые при высыхании утрачивают упругость, сморщиваются и за сутки сдуваются, желатиновые пузыри и без воды сохраняют эластичность и через сутки могут быть еще заметно раздуты в диаметре. Это показывает, что тонкая желатиновая пленка упруга и мало проницаема для воздуха.
Подсохший материал пленок может быть заново при подогреве растворен в небольшом количестве воды и использован для повторных опытов. Тонкостенность, упругость и простота получения отличает мыльно-желатиновые пузыри от ранее известных толстостенных желатиновых полых шариков, изготавливаемых на надуваемых резиновых шарах трудоемким методом, каким получают папье-маше.
Отмеченная высокая эластичность, несвойственная простому студню из желатина, вызвана добавками к нему глицерина и мыла. В таком растворе возникает новая резиноподобная структура связей длинных молекул желатина и глицерина, уже отмеченная ранее [3]. А добавка подобранного мыла обеспечивает возможность получения из раствора тонких пленок и странную (подробнее обсуждаемую ниже) упругость таких пленок. Наблюдаемое необычное превращение студенистой массы в "тугой и мягкий" материал требует привлечения внимания специалистов в этой области [4].
Обращают на себя внимание и оптические свойства тонкой желатиновой пленки. Поскольку исходная и подсохшая мыльная пленка обладает гладкой поверхностью, то при ее даже частичном отражении она может служить зеркалом, радиус и фокусное расстояние которого можно изменять в широких пределах. Примеры таких зеркальных отражений от пленки показаны на рис.2. Но помимо зеркальности у желатиновой пленки обнаружилось еще одно удивительное свойство.
Толщина пленки, судя по цвету, где-то 5–10 мкм. О странной и, можно сказать, неожиданной прочности такой подсохшей пленки можно судить по нагрузке, которую она выдерживает (рис.3,4). В то время как для обычных водных мыльных пленок допустимая нагрузка определяется их поверхностным натяжением (двух поверхностей) и составляет около 0,07 г/см, желатиновая пленка без разрыва, как видно, выдерживает нагрузку около 1 г/см, которая явно на порядок больше и не может быть обеспечена простым поверхностным натяжением, а требует напряжения и внутри пленки.
При снятии нагрузки прогнутая пленка за секунды полностью восстанавливает свою исходную форму. По существу, пленка оказывается образцом необычной прозрачно-зеркальной резины с привлекательными возможностями ее применения для самых разнообразных оптических приложений.
Например, нагрузка на пленку может быть в виде жидкости, которая не взаимодействует с пленкой и которая, собираясь в центре пленки, превращается в жидкую линзу с переменным фокусным расстоянием (если менять под пленкой давление воздуха) (рис.4). Наливаемая жидкость может быть полимеризующейся, как эпоксидная смола, и после застывания на пленке она без дополнительной обработки превращается в неплохую, и что важно отметить, асферическую прозрачную линзу с оптически гладкими поверхностями и малым фокусным расстоянием (рис.5–7). Специалисты, знакомые с проблемами изготовления асферической оптики, могут оценить такой подарок природы.
Фактически в этих опытах желатиновая пленка как бы на порядок увеличивает поверхностное натяжение наливаемых на нее жидкостей или, иначе говоря, как бы на порядок уменьшает для них земное притяжение, и их капли из-за этого получаются большими. И если из обычных затвердевающих капель жидкостей раньше можно было делать только маленькие линзы (линзы Левенгука около 1 мм), то с пленкой капли становятся на порядок тяжелее и больше по размеру. При этом у них оказывается гладкой не только нижняя, но и верхняя контактирующая с воздухом ровная поверхность, чего у обычных капель не было.
О качестве изготовленной эпоксидной линзы диаметром 16 мм с фокусным расстоянием 5 мм можно судить по рис.5–7. При доработке технологии свойства таких линз, несомненно, могут быть улучшены.
Для приложений представляет интерес еще исследование тепло- и электропроводных свойств, прочности подсохших пленок с возможными добавками [6], а также способности дополнительно обработанных пленок контактировать и прилипать к различным поверхностям. Интересна также возможность получения из тянущегося застывающего мыльно-желатинового раствора длинных тонких нитей и световодов с прочностью паутины.
Теоретики предсказывают, что подобной упругостью и прочностью будут обладать совсем тонкие монослойные графеновые пленки, но до тех пор, пока графеновые пленки таких размеров недоступны, экспериментаторы могут заранее оттачивать свое мастерство с похожими по свойствам образцами мыльно-желатиновых пленок.
Желатиновые пленки, как показано, могут быть использованы как простой способ изготовления асферических линз, не имеющих сферической аберрации и находящих самое широкое применение [5]. Здесь требуется теоретическая проработка формы застывающих на пленке образцов, но сравнение опубликованной формы типичной асферической линзы [5] и фото застывающей эпоксидной смолы на рис.4 показывает их хорошее совпадение (рис.8).
Обнаружилась важная косвенная связь свойств мыльно-желатиновой пленки с лазерными треками вот в каком плане. Интересно то, что растянутый во времени процесс собирания жидкости в нарастающем прогибе на пленке является в некотором роде наглядной увеличенной моделью механизма образования лазерных треков в тонких пленках. В треках тоже есть прогиб, в котором собирается жидкость из окружающих областей. Поэтому теоретическое рассмотрение динамики сбора жидкости в стационарную форму в центре круглой горизонтальной гибкой мембраны представляет интерес для проработки динамики формирования лазерных треков из-за сходства гидродинамик этих двух процессов. Если на мембране жидкость собирается в центре нарастающего прогиба под действием гравитации и изменяющегося локального давления жидкости, то в области трека жидкость тоже собирается в выпячиваемой области пленки [1], но эта область выгиба создается за счет действия на поверхность пленки изменяющегося в процессе формирования светового давления. Таким образом, наличие решения задачи по трансформации плоской мембраны с небольшим слоем жидкости на ней в стационарную форму с прогибом в центре могло бы быть непосредственно использовано для описания процесса формирования утолщения пленки в области лазерного трека. Так желатиновая пленка может помочь в теоретическом описании формирования треков.
Эти неожиданные свойства раствора и пленки были оформлены в заявке на изобретение [7] с подробным описанием состава раствора, с отмеченными применениями для фундаментальных научных исследований лазерных солитонов в квантовой электронике, с возможными приложениями в оптике и механике, но оценивать перспективу широкого внедрения или практического применения изобретения пока трудно.
Надо ли повторять, что фундаментальная наука не нацелена на сиюминутную выгоду. Она работает на перспективу, и потребность в ней проявится в будущем вместе с ростом потребностей общества. И не вина изобретателей, что общество (точнее, его руководство) не сразу осознает потребность и перспективность предлагаемых новшеств.
За 50 лет работы в ФИАН я неоднократно патентовал новые изобретения, которые так и не нашли широкого применения. Хочу подчеркнуть, что трудности в доходной реализации изобретений не являются свидетельством их бесполезности. Плоды их применений обычно достаются потомкам. Но изобретатели – это люди особой природы, и их такие мелочи не останавливают. Они не могут не изобретать, так они устроены, таков их психотип [2].
Благодарю моих коллег А.В.Старцева, В.И. Ялового и А.П. Широких за помощь в проведении экспериментов с мыльно-желатиновой пленкой.
Литература
Стойлов Ю.Ю. Фотоника.– Фотоника, 2011, №1, 2.
Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Препринт №2, №12, 2014 – М. ФИАН, 2014.
www.papiermache.co.uk/forum/viewtopic.php?id=2849Gelatin-rubber.
Gong J.P. – Science, April 2014, v. 34411, p.161.
www.laserfocusworld.com/whitepapers/2014/05/all-about-aspheric-lenses.html. Все об асферической оптике.
www.amazon.com/How-Improve-Rubber-Compounds-Experimental/dp/1569903611Dick J.S. How to Improve Rubber Compounds. 2014.
Заявка на патент № 2014113886 от 08.04.2014. Способ получения мыльных растворов/ Ю.Ю.Стойлов.
Отзывы читателей
