Физика. Природа. Технологии.

Департамент образования, науки и молодежной политики Воронежской области

ГБПОУ ВО «Борисоглебский сельскохозяйственный техникум»

ФИЗИКА. ПРИРОДА. ТЕХНОЛОГИЯ.

Исследовательская работа по естественнонаучному циклу

Выполнил: Зверев Андрей,

студент группы 2 – 4

отделение 23.02.03 Техническое обслуживание

и ремонт автомобилей

Руководитель: Дерюжкина В.Н., преподаватель

2019 г.

Содержание

1. Введение 3

2. Основная часть 4

2.1. Гидрофобность и современные технологии 4

2.2. Непотопляемый металл 6

1. Заключение 10

2. Литература 11

3. Приложения

Введение

Совсем недавно в средствах массовой информации, в новостных каналах и сети Интернет была транслирована информация о изобретении новой технологии обработки поверхности металла, которая делает его непотопляемым.

В комментариях разработчики пояснили, что идея создания подобной технологии стала осуществима благодаря законам физики, и подглядели они ее у насекомых, обитающих на нашей планете Земля.

После ознакомления с некоторыми материалами по вопросу нового «непотопляемого металла» у меня непроизвольно возник вопрос: - так если между физикой и природой существует прямая неразрывная связь, то насколько же широки пространства для изобретательских находок в современном мире, и так ли легко объяснимо то, что на первый взгляд кажется совсем непростым?

Основная часть

1. Гидрофобность и современные технологии

Ученые создали новую технологию обработки металлических поверхностей для придания им супергидрофобных свойств.

Гидрофобность – (от греческого «гидро» - вода + «фобос» - боязнь, страх) - физическое свойство молекулы, стремление избежать контакта с водой. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной.

Гидрофобные молекулы обычно  неполярны  и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. Поэтому вода на гидрофобной поверхности, обладающей высоким значением  угла смачивания, собирается в капли. А при добавлении в воду гидрофобных жидкостей, в зависимости от плотности, они собираются в изолированные сгустки, либо распределяются по поверхности воды, как происходит с нефтью.

Рис. 1. Капля воды на гидрофобной поверхности травы

Гидрофобными являются молекулы алканов, масел, жиров и других подобных материалов. Гидрофобные материалы используются для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения полярных и неполярных веществ.

Химические основы

Согласно термодинамике, материя стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает химическую энергию. Молекулы воды поляризованы и способны образовывать между собой водородные связи, чем объясняются многие уникальные свойства воды. В то же время, гидрофобные молекулы не поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя.

Сверхгидрофобность

С верхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно несклонные к смачиванию (с углом контакта с водой, превышающим 150°). Многие из подобных материалов, обнаруженных в природе, подчиняются закону Кассье и являются двухфазными на субмикронном уровне, причем одним из компонентов является воздух. Эффект лотоса основан на этом принципе.

Р ис. 2. Компьютерная иллюстрация капель, захватывающих пыль с поверхности, проявляющей эффект лотоса.

Рис. 3. Гидрофобное обработанное покрытие

И зделия из гидрофобных материалов не тонут в воде, даже после пробоин или других повреждений.

Рис. 4. Различная гидрофобность

2. Непотопляемый металл

Непотопляемый металл — это что-то новенькое!

Всем известно, что металлы — довольно тяжелый класс веществ, который обладает высокой плотностью и (если мы не говорим об особых сплавах или сверхтонких листах наподобие фольги) зачастую тонет в воде. Однако исследователи из Университета Рочестера смогли создать металл, который просто отказывается тонуть. Даже если его специально погрузить под водную гладь — он всплывет на поверхность.

Ученые из Рочестерского университета (США) при поддержке китайских коллег разработали новую технологию обработки металлических поверхностей с помощью специального лазера. За разработку отвечает профессор кафедры оптики и физики Университета Рочестера Чунлей Го и его команда. Для создания нового материала исследователи применили новаторский метод, использующий фемтосекундные вспышки лазеров для «травления» поверхности металлов. То есть очень быстрые и интенсивные вспышки лазеров создают на поверхности металла микро- и наноразмерные узоры, меняя структуру вещества. Благодаря этому поверхностный слой металла может захватывать воздух и удерживать его, что делает поверхность металла «супергидрофобной» или, попросту говоря, водоотталкивающей.

Рис. 5. Гидрофобные покрытия металлов не дают им ржаветь, отталкивая воду

После такой обработки металл приобретает настолько сильные гидрофобные свойства, что изготовленные из него конструкции становятся абсолютно непотопляемыми. При погружении в воду вокруг металлического предмета образуется воздушный пузырь, который выталкивает его на поверхность. Предмет всплывает, даже если он продырявлен или поврежден любым другим способом.

Ученые подглядели свое открытие у водяных пауков-серебрянок (Argyroneta) (рис. 6), способных долго находиться под водой в воздушной оболочке, окружающей их тело.

Аналогичный прием используют огненные муравьи Solenopsis (рис. 7.). Объединяясь в группы, они удерживаются на поверхности воды за счет воздуха, захваченного их гидрофобными телами.

"Нас это очень вдохновило, — приводит слова руководителя исследования Чунлей Гуо (Chunlei Guo) пресс-служба Рочестерского университета. — Главная идея состоит в том, что многогранные супергидрофобные конструкции захватывают большой объем воздуха. Это может быть использовано для создания плавучих устройств".

Главная проблема большинства гидрофобных материалов — то, что со временем или в результате механического повреждения их поверхности теряют водоотталкивающие свойства.

В итоге команда ученых разработала структуру, в которой две металлические пластины точно также, как и ранее, покрыли крошечными «узорами». Только вот положили эти пластины друг на друга, обратив «рисунком» внутрь. Между пластинами оказалось достаточно места, чтобы захватывать и удерживать воздух, который не давал металлической структуре потонуть.

Рис. 10

При этом сверхгидрофобная структура остается на плаву даже после значительного структурного повреждения. В рамках эксперимента ученые сделали в пластинах 6 отверстий диаметром в 3 миллиметра и одно отверстие диаметром 6 миллиметров. Пластины при этом продолжали плавать на поверхности воды.

Материал не потерял свои свойства даже после многократных погружений и двухмесячного пребывания под водой под грузом. Конструкция так же легко всплыла на поверхность, как и при первом испытании.

Что касается трудоемкости новой технологии, то при первом испытании потребовался час на то, чтобы обработать поверхность размером 2,5 см². Однако ученые утверждают, что, используя более мощные лазеры, можно ее легко адаптировать для коммерческого использования. Вместо алюминия можно использовать другой металл или любые твердые материалы.

Новый метод обработки металлов позволит разработать непотопляемые корабли, плавучие электронные контрольные приборы или любые другие устройства, которые должны длительное время оставаться на поверхности воды независимо от повреждений..

Заключение

Использование законов физики - одной из фундаментальных наук (от древне – греческого «φύσις» - «природа») о простейших и вместе с тем общих законов природы, о материи, ее структуре и движении – очевидно, внесло колоссальные результаты в процессе развития общества, от ее зарождения в XVIII веке и до сегодняшних дней.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров. Развитие фотоники способно дать возможность создать принципиально новые — фотонные  компьютеры и другую фотонную технику, которые сменят существующую электронную технику. Развитие газодинамики привело к появлению самолётов и вертолётов.

Знания физических процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий очень быстро получают технико-экономическое  применение. Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика будет развиваться, и находить научное объяснение еще неизведанным явлениям природы и жизни на Земле.

И отвечая на вопрос, поставленный в начале работы, о том, насколько же широки возможности физики, как интереснейшей науки о природе, можно с большой уверенностью сказать, что они безграничны.

Литература

1. А. С. Разумовский, А. В. Братищев Фотоника / Энциклопедический словарь нанотехнологий

2. Иванов Б. Н. Законы физики. 3-е изд. — М.: Эдиториал УРСС, 2004. — 368 с. — ISBN 5-354-00640-6.

3. Пуанкаре А. О науке. 2-е изд. — М.: Наука, 1990. — 736 с. — ISBN 5-02-014328-6.

4. В.П. Зубов, Б.Г. Кузнецов, Д.Д. Иваненко. Очерки развития основных физических идей. — М.: АН СССР, 1959. — 511 с. — 5000 экз.

5. Чугунов, А. О. Физическая водобоязнь / А. О. Чугунов, А. А. Полянский, Р. Г. Ефремов // Природа. — 2013. — Вып. 1169, № 1. — С. 24-34.

6. Источник: https://ria.ru/20191107/1560667335.html

7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидрофобность

11

Департамент образования, науки и молодежной политики Воронежской области

ГБПОУ ВО «Борисоглебский сельскохозяйственный техникум»

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

ФИЗИКА . ПРИРОДА . ТЕХНОЛОГИИ

Гидрофобность и современные технологии

Ученые создали новую технологию обработки металлических поверхностей для придания им супергидрофобных свойств .

Гидрофобность – (от греческого «гидро» - вода + «фобос» - боязнь, страх) - физическое свойство молекулы, стремление избежать контакта с водой. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной.

Капля воды на гидрофобной поверхности воды

Гидрофобность и современные технологии

Гидрофобные молекулы обычно  неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. Поэтому вода на гидрофобной поверхности, обладающей высоким значением  угла смачивания, собирается в капли. А при добавлении в воду гидрофобных жидкостей, в зависимости от плотности, они собираются в изолированные сгустки, либо распределяются по поверхности воды, как происходит с нефтью.

Сверхгидрофобность

Сверхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно несклонные к смачиванию (с углом контакта с водой, превышающим 150°). Многие из подобных материалов, обнаруженных в природе, подчиняются закону Кассье и являются двухфазными на субмикронном уровне, причем одним из компонентов является воздух. Эффект лотоса основан на этом принципе.

Компьютерная иллюстрация капель, захватывающих пыль с поверхности, проявляющей эффект лотоса .

Сверхгидрофобность

Непотопляемый металл

Непотопляемый металл — это что-то новенькое!

Всем известно, что металлы - довольно тяжелый класс веществ, который обладает высокой плотностью и (если мы не говорим об особых сплавах или сверхтонких листах наподобие фольги) зачастую тонет в воде. Однако исследователи из Университета Рочестера смогли создать металл, который просто отказывается тонуть. Даже если его специально погрузить под водную гладь - он всплывет на поверхность.

Гидрофобные покрытия металлов не дают им ржаветь, отталкивая воду

Непотопляемый металл

Ученые подглядели свое открытие у водяных пауков-серебрянок (Argyroneta) (рис. 6), способных долго находиться под водой в воздушной оболочке, окружающей их тело.

Рис. 6. Водяной паук - серебрянка

Непотопляемый металл

Аналогичный прием используют огненные муравьи Solenopsis (рис. 7.). Объединяясь в группы, они удерживаются на поверхности воды за счет воздуха, захваченного их гидрофобными телами.

Рис. 7. Огненный муравей

Непотопляемый металл

"Нас это очень вдохновило, — приводит слова руководителя исследования Чунлей Гуо (Chunlei Guo) пресс-служба Рочестерского университета. — Главная идея состоит в том, что многогранные супергидрофобные конструкции захватывают большой объем воздуха. Это может быть использовано для создания плавучих устройств".

Непотопляемый металл

Главная проблема большинства гидрофобных материалов — то, что со временем или в результате механического повреждения их поверхности теряют водоотталкивающие свойства.

В итоге команда ученых разработала структуру, в которой две металлические пластины точно также, как и ранее, покрыли крошечными «узорами». Только вот положили эти пластины друг на друга, обратив «рисунком» внутрь. Между пластинами оказалось достаточно места, чтобы захватывать и удерживать воздух, который не давал металлической структуре потонуть.

Непотопляемый металл

Рис. 11. Фото. Adam Fenster / University of Rochester/Инженеры поместили на конструкцию груз и погрузили ее в воду на два месяца.

Материал не потерял свои свойства даже после многократных погружений и двухмесячного пребывания под водой под грузом. Конструкция так же легко всплыла на поверхность, как и при первом испытании.

Новый метод обработки металлов позволит разработать непотопляемые корабли, плавучие электронные контрольные приборы или любые другие устройства, которые должны длительное время оставаться на поверхности воды независимо от повреждений..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика будет развиваться, и находить научное объяснение еще неизведанным явлениям природы и жизни на Земле!

• Литература
• А. С. Разумовский, А. В. Братищев Фотоника / Энциклопедический словарь нанотехнологий
• Иванов Б. Н. Законы физики. 3-е изд. — М.: Эдиториал УРСС, 2004. — 368 с. — ISBN 5-354-00640-6.
• Пуанкаре А. О науке. 2-е изд. — М.: Наука, 1990. — 736 с. — ISBN 5-02-014328-6.
• В.П. Зубов, Б.Г. Кузнецов, Д.Д. Иваненко. Очерки развития основных физических идей. — М.: АН СССР, 1959. — 511 с. — 5000 экз.
• Чугунов, А. О. Физическая водобоязнь / А. О. Чугунов, А. А. Полянский, Р. Г. Ефремов // Природа. — 2013. — Вып. 1169, № 1. — С. 24-34.
• Источник:  https://ria.ru/20191107/1560667335.html
• https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидрофобность

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!