Name: Dokładne wyznaczanie równowagowych wartości napięcia powierzchniowego za pomocą testów perturbacji obszarowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 s
Description: Poznaj metody EBM i SBM do precyzyjnego pomiaru równowagowego napięcia powierzchniowego w fazach wodnych z surfaktantami. Protokoły zapewniają niezawodne wyniki przy testach perturbacji obszarowej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy są wdzięczni Pioneer Oil Company (Vincennes, IN) za wsparcie finansowe.

1. Minimalne specyfikacje instrumentu
<ol>
	<li>Przygotuj tensjometr do metody EBM o następujących parametrach: (i) system dozujący umożliwiający kontrolę objętości dozowanego gazu; (ii) kamerę do rejestrowania obrazu pęcherzyka; (iii) oprogramowanie do analizy obrazu służące do rozwiązywania równania Laplace’a-Younga (równanie LY) z wykorzystaniem algorytmu analizy osiowosymetrycznego kształtu pęcherzyka11,12; oraz (iv) komorę próbkową z kontrolowaną temperaturą. 
	UWAGA: Zwykle urządzenie do metody EBM może być również stosowane w metodzie kropli zwisającej, w której mała kropla powstaje i zwisa pionowo z końcówki igły strzykawki.</li>
	<li>Przygotuj tensjometr do metody SBM o następujących parametrach: (i) uchwyt do probówek umożliwiający poziome wirowanie próbki z wysokimi częstotliwościami obrotów wynoszącymi co najmniej 6 000 obr./min; (ii) kamerę do rejestrowania obrazu obracającego się pęcherzyka w probówce; oraz (iii) oprogramowanie do analizy obrazu służące do rozwiązywania ogólnego równania LY i równania Vonneguta13. 
	UWAGA: Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
</ol>
2. Materiały i przygotowanie próbek
<ol>
	<li>Uzyskaj czystą wodę z urządzenia do oczyszczania wody. Rezystywność wody przy 25 °C na wyjściu urządzenia powinno wynosić 18,2 MΩ·cm lub blisko tej wartości</li>
	<li>Wyczyść wszystkie fiolki borokrzemowe, kuwety kwarcowe, szkło laboratoryjne oraz magnetyczne paleczki mieszające, przez zanurzenie ich w wodzie destylowanej na co najmniej 8 godzin i powtórz proces zanurzania przynajmniej jeden raz dodatkowo. 
	UWAGA: Proces namaczania ma na celu usunięcie jonów resztkowych ze szklanych pojemników, które mogą znacząco wpływać na wartości napięcia powierzchniowego.</li>
	<li>Przygotuj roztwór interesującego środka powierzchniowo czynnego w oczyszczonym szkle laboratoryjnym. 
	UWAGA: Stężenie surfaktantu powinno być niższe niż jego granica rozpuszczalności w wodzie.</li>
	<li>Wypłucz każdy pojemnik, który będzie używany do pomiarów napięcia, roztworem próbkowym, który zostanie użyty w rzeczywistych pomiarach, przed załadowaniem próbki.</li>
	<li>Zmierz gęstości próbek ciekłych przed pomiarem napięcia z dokładnością do trzech lub czterech cyfr znaczących. 
	UWAGA: Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
</ol>
3. Tensjometria powierzchniowa metodą powstającej bańki (EBM)
<ol>
	<li>Skaluj urządzenie do pozyskiwania obrazów tensometru zgodnie z instrukcją użytkownika producenta. 
	UWAGA: Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
	<li>Wybierz odwróconą stalową igłę ze stali nierdzewnej, bazując na oszacowanym maksymalnym średnicy pęcherzyka, wynikającym z przewidywanych wartości napięcia powierzchniowego. 
	UWAGA: Maksymalną średnicę pęcherzyka można oszacować na podstawie długości kapilarnej, dc ( <img alt="Równanie długości kapilarnej \(d_c = \sqrt{(2\gamma/\Delta\rho g)}\) wzór, pojęcie fizyczne." src="/files/ftp_upload/59818/59818eq1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 1">, gdzie γ to napięcie powierzchniowe (N·m-1), Δρ to różnica gęstości fazy ciekłej i powietrza (kg·m-3), a g to przyspieszenie ziemskie (m2·s-1)). Maksymalną objętość pęcherzyka (Vmax) można oszacować jako πdc3/6. 
	UWAGA: Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
	<li>Umieść odwróconą stalową igłę ze stali nierdzewnej, dostarczoną przez tego samego producenta co tensometr, na końcu urządzenia do dozowania. 
	UWAGA: Zaleca się użycie dozownika automatycznego zamiast ręcznej strzykawki, ponieważ jest łatwiejszy w użyciu i pozwala dokładniej uzyskać pożądaną objętość, a tym samym precyzyjniej kontrolować zaburzenia objętości i powierzchni. Zalecana najmniejsza kropla objętości dozownika powinna być mniejsza niż 1 µL, w zakresie 0,2–0,5 µL, aby zapewnić dokładne zaburzenia powierzchni. Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
	<li>Ustal objętość próbki cieczy do pomiarów napięcia powierzchniowego tak, aby głębokość próbki była wystarczająca, by całkowicie zanurzyć odwróconą część igły dozownika oraz zapewnić dodatkowo około 20 mm głębokości próbki między końcówką igły a powierzchnią cieczy.</li>
	<li>Wprowadź próbkę cieczy do kuwety kwarcowej i umieść kuwetę na platformie próbki. W naszym przykładzie objętość próbki cieczy wynosiła 40 mL.</li>
	<li>Dostosuj wysokość odwróconej igły tak, aby jej koniec znajdował się co najmniej 20 mm poniżej powierzchni próbki cieczy.</li>
	<li>Dostosuj położenie odwróconej igły tak, aby krawędź jej końcówki była równoległa do powierzchni ciecz–powietrze.</li>
	<li>Wprowadź około 1 mL powietrza przez zanurzoną odwróconą igłę, aby usunąć zanieczyszczenia, które mogłyby być obecne na końcówce strzykawki. Ta procedura służy poprawie chemicznej czystości powierzchni granicznej powietrze/ciecz.</li>
	<li>Oszacuj maksymalną objętość pęcherzyka (Vmax) zgodnie z poniższą procedurą. Najpierw dozuj około 2 µL powietrza, aby utworzyć pęcherzyk na końcówce strzykawki, i obserwuj kształt pęcherzyka. Następnie zwiększ objętość pęcherzyka o około 0,5 µL i ponownie obserwuj jego kształt. Powtarzaj te dwa kroki, aż pęcherzyk oderwie się od końcówki igły. Ten krok określa wartość Vmax.</li>
	<li>Ustal odpowiedni zakres objętości pęcherzyka na podstawie poprzednich obserwacji. 
	UWAGA: Kształt pęcherzyka powinien być niemieszczysty, znacznie odkształcony przez grawitację, aby umożliwić dokładne zastosowanie algorytmu analizy kształtu osiowosymetrycznego, a objętość pęcherzyka powinna być znacznie mniejsza niż Vmax, aby uniknąć oderwania pęcherzyka od końcówki igły. Dla końcówki strzykawki o średnicy wewnętrznej 0,84 mm zalecana początkowa objętość pęcherzyka wynosi około 4 µL.</li>
	<li>Ustal początkową objętość pęcherzyka na podstawie zakresu objętości określonego w poprzednim kroku. Początkowa objętość pęcherzyka powinna znajdować się blisko środka zakresu objętości, aby zaburzenia objętości i powierzchni generowały pęcherzyki wewnątrz tego zakresu.</li>
	<li>Dozuj ustaloną początkową objętość pęcherzyka z poprzedniego kroku, aby utworzyć pęcherzyk na końcówce odwróconej strzykawki. Upewnij się, że pęcherzyk znajduje się w równowadze hydrostatycznej, co oznacza, że siły napięcia powierzchniowego równoważą siły grawitacyjne (wyporu). 
	UWAGA: Ważne jest, aby pęcherzyk był przypięty poza obwodem końcówki igły, aby zapobiec obecności roztworu surfaktantu wewnątrz igły strzykawki. Jeśli pęcherzyk jest przypięty wewnątrz końcówki igły, powtórz krok 3.8, aby oczyścić końcówkę igły.</li>
	<li>Pomiary dynamicznego napięcia powierzchniowego przeprowadzaj co 1 s, lub w innym ustalonym przedziale czasowym, na podstawie kształtu powstającego pęcherzyka powietrza na końcówce igły. Zalecanym algorytmem numerycznym do obliczania napięcia powierzchniowego jest metoda oparta na osiowosymetrycznej analizie kształtu kropli według równania LY11,12.</li>
	<li>Porównaj rzeczywisty kształt pęcherzyka z kształtem obliczonym. Jeśli oba kształty pokrywają się całkowicie lub niemal całkowicie, można wnioskować, że równanie równowagi LY jest poprawne dla każdego dynamicznego i powoli zmieniającego się kształtu. To założenie jest całkowicie poprawne, gdy pęcherzyk przestaje się poruszać, a napięcie powierzchniowe przestaje się zmieniać, co oznacza osiągnięcie równowagi hydrostatycznej. 
	UWAGA: Kryterium jednorodności wartości napięcia powierzchniowego na całej powierzchni granicznej oraz pomijalności efektów hydrodynamicznych jest wizualne pokrywanie się obliczonego kształtu powierzchni pęcherzyka, opartego na optymalnych wyznaczonych wartościach napięcia powierzchniowego, z rzeczywistym kształtem powierzchni pęcherzyka. Możliwe są bardziej ilościowe testy, ale nie będą one omawiane w tym artykule.</li>
	<li>Pomiary napięcia powierzchniowego prowadź w funkcji czasu, aż osiągnięta zostanie pierwsza wartość stacjonarna napięcia powierzchniowego (SST1). Wartość SST definiuje się jako plateau, poza którym napięcie powierzchniowe zmienia się o mniej niż 1 mN·m-1 (lub mniej niż 5%) w ciągu kilku (10 do 100) kolejnych pomiarów dynamicznego napięcia powierzchniowego.</li>
	<li>Zanotuj objętość pęcherzyka (V1) oraz powierzchnię (A1)</li>
	<li>Zmniejsz objętość pęcherzyka, usuwając około 1 µL powietrza, i zanotuj nową objętość pęcherzyka, V2, oraz powierzchnię, A2 (patrz Rysunek 1).</li>
	<li>Kontynuuj pomiary DST i powierzchni, aż DST osiągnie drugą wartość stacjonarną (SST2) przy objętości pęcherzyka V2.</li>
	<li>Zwiększ objętość pęcherzyka, wprowadzając około 1 µL powietrza, tak aby V3 ≈ V1 i A3 ≈ A1. 
	UWAGA: Dokładne równanie wartości V3 i A3 z V1 i A1 nie jest konieczne.</li>
	<li>Kontynuuj pomiar wartości DST, aż osiągnięta zostanie trzecia wartość stacjonarna (SST3). Jeśli trzy wartości SST różnią się od siebie o mniej niż 1,0 mN·m-1 lub 5%, ich średnia jest definiowana jako równowagowe napięcie powierzchniowe (EST). 
	UWAGA: Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
</ol>
4. Tensjometria powierzchniowa metodą wirującej bańki (SBM)
<ol>
	<li>Skalibruj urządzenie do pozyskiwania obrazów tensometru zgodnie z instrukcją użytkownika producenta. 
	UWAGA: Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
	<li>Wypełnij rurkę szklaną uchwytu próbki, zgodną z wirującym tensometrem przeznaczonym do pomiaru, ciekłą próbką i zamknij pokrywkę. Wewnątrz rurki szklanej nie powinno być pęcherzyków powietrza. 
	UWAGA: Zaleca się stosowanie uchwytu próbki i rurki szklanej dostarczonych przez producenta urządzenia lub zgodnych z tensometrem.</li>
	<li>Umieść wypełniony uchwyt próbki w komorze wirującej wirującego tensometru. 
	UWAGA: Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
	<li>Wpraw rurkę w powolne wirowanie z prędkością około 500 obr./min, aby zapobiec przemieszczaniu się wprowadzonego pęcherzyka w górę i/lub przyczepianiu się go do ścianki rurki. 
	UWAGA: Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
	<li>Wciągnij około 2,0 μL powietrza do strzykawki. 
	UWAGA: Protokół może zostać tutaj wstrzymany.</li>
	<li>Wprowadź igłę strzykawki przez polimerową septum uszczelniającą górną część wirującej rurki.</li>
	<li>Wstrzyknij pęcherzyk powietrza o objętości około 2,0 μL do wirującej rurki. 
	UWAGA: Objętość pęcherzyka zazwyczaj pozostaje stała, chyba że pęcherzyk pęknie. W przypadku pęknięcia lepiej rozpocząć proces od nowa.</li>
	<li>Zwiększ częstotliwość obrotów uchwytu próbki do ν1, tak aby pęcherzyk w rurce szklanej uległ odkształceniom, w wyniku czego stosunek długości poziomej pęcherzyka (L) do promienia środka pęcherzyka (R) osiągnął wartość równą 8 lub większą. 
	UWAGA: Jeśli dostępne urządzenie nie pozwala na osiągnięcie wystarczająco wysokiej częstotliwości obrotów, by uzyskać znaczące odkształcenie pęcherzyka i stosunek L/R równy 8 lub większy, można zastosować ogólną równanie LY do obliczenia wartości DST.</li>
	<li>Dostosuj kąt pochylenia komory pomiarowej zawierającej rurkę, jeśli to konieczne, tak aby rurka próbki była ustawiona poziomo, aby zapobiec ruchowi pęcherzyka i ułatwić osiągnięcie równowagi gyrostatycznej (równowagi hydrostatycznej w płynie wirującym) dla osiowosymetrycznego kształtu zakładanego w równaniu LY i stosowanym algorytmie. 
	UWAGA: Równowagę gyrostatyczną definiuje się dla wirujących pęcherzyków analogicznie do równowagi hydrostatycznej dla pęcherzyków niewirujących, gdy pęcherzyk nie porusza się.</li>
	<li>Pomiary wartości DST przeprowadzaj w ustalonych odstępach czasu. Typowa wartość to 1 s.</li>
	<li>Kontynuuj pomiar DST przy stałej częstotliwości obrotów ν1, aż osiągnie on wartość ustaloną (SST1), a następnie zanotuj SST1 oraz częstotliwość obrotów ν1 (patrz Rysunek 2).</li>
	<li>Zanotuj objętość pęcherzyka, V1 oraz powierzchnię, A1.</li>
	<li>Zmień częstotliwość obrotów na drugą częstotliwość, ν2, aby zmienić powierzchnię.</li>
	<li>Kontynuuj pomiar DST przy stałej częstotliwości obrotów ν2, aż osiągnie on drugą wartość ustaloną (SST2) i zanotuj częstotliwość obrotów ν2.</li>
	<li>Zanotuj objętość pęcherzyka, V2 oraz powierzchnię, A2. 
	UWAGA: V2 powinna być bardzo zbliżona do V1.</li>
	<li>Zmień częstotliwość obrotów na ν3. 
	UWAGA: Nie jest konieczne, aby ν3 była dokładnie równa ν1.</li>
	<li>Pomiary wartości DST przeprowadzaj przy stałej częstotliwości obrotów ν3, aż osiągnie on trzecią wartość ustaloną, SST3.</li>
	<li>Zanotuj ν3 oraz A3.</li>
	<li>4.19. Gdy trzy wartości SST różnią się od siebie o mniej niż 1,0 mN·m-1 (lub mniej niż 5%), ich średnią przyjmuje się jako „EST”.</li>
</ol>

<ol><li>Shah, D. O., Schechter, R. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aShah%2C+DO+%22Improved+oil+recovery+by+surfactant+and+polymer+flooding%22">Improved oil recovery by surfactant and polymer flooding</a>. , Academic Press Inc. New York. (1977).</li>
<li>Hiemenz, P. C., Rajagopalan, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHiemenz%2C+PC+%22Principles+of+Colloid+and+Surface+Chemistry%22">Principles of Colloid and Surface Chemistry</a>. , Marcel Dekker, Inc. New York. (1997).</li>
<li>Adamson, S. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAdamson%2C+SW+%22Physical+Chemistry+of+Surfaces%22">Physical Chemistry of Surfaces</a>. , Wiley. New York. (1990).</li>
<li>Doe, P. H., El-Emary, M., Wade, W. H., Schechter, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surfactants+for+producing+low+interfacial+tensions%3A+II.+Linear+alkylbenzenesulfonates+with+additional+alkyl+substituents%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Oil+Chemists%27+Society%22%5BJournal%5D)">Surfactants for producing low interfacial tensions: II. Linear alkylbenzenesulfonates with additional alkyl substituents.</a> Journal of the American Oil Chemists' Society. 55 (5), 505-512 (1978).</li>
<li>Chung, J., Boudouris, B. W., Franses, E. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+Tension+Behavior+of+Aqueous+Solutions+of+a+Propoxylated+Surfactant+and+Interfacial+Tension+Behavior+against+a+Crude+Oil%5BTitle%5D)+AND+%22Colloids+and+Surfaces+A%3A+Physicochemical+and+Engineering+Aspects%22%5BJournal%5D)">Surface Tension Behavior of Aqueous Solutions of a Propoxylated Surfactant and Interfacial Tension Behavior against a Crude Oil.</a> Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 537, 163-172 (2018).</li>
<li>Miller, R., Lunkenheimer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+determination+of+equilibrium+surface+tension+values+of+surfactant+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Colloid+%26+Polymer+Science%22%5BJournal%5D)">On the determination of equilibrium surface tension values of surfactant solutions.</a> Colloid & Polymer Science. 261 (7), 585-590 (1983).</li>
<li>Miller, R., Lunkenheimer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adsorption+kinetics+measurements+of+some+nonionic+surfactants%5BTitle%5D)+AND+%22Colloid+%26+Polymer+Science%22%5BJournal%5D)">Adsorption kinetics measurements of some nonionic surfactants.</a> Colloid & Polymer Science. 264 (4), 357-361 (1986).</li>
<li>Lunkenheimer, K., Miller, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Properties+of+homologous+series+of+surface-chemically+pure+surfactants+at+the+water-air+interface+Part+I%3A+Equilibrium+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Abhandlungen+der+Akademie+der+Wissenschaften+der+DDR%2C+abteilung+Mathematik%2C+Naturwissenschaften%2C+Technik%22%5BJournal%5D)">Properties of homologous series of surface-chemically pure surfactants at the water-air interface Part I: Equilibrium properties.</a> Abhandlungen der Akademie der Wissenschaften der DDR, abteilung Mathematik, Naturwissenschaften, Technik. (1), 113(1986).</li>
<li>Franses, E. I., Basaran, O. A., Chang, C. -H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Techniques+to+measure+dynamic+surface+tension%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Colloid+%26+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Techniques to measure dynamic surface tension.</a> Current Opinion in Colloid & Interface Science. 1 (2), 296-303 (1996).</li>
<li>Hua, X. Y., Rosen, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+surface+tension+of+aqueous+surfactant+solutions+1.+basic+parameters%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Dynamic surface tension of aqueous surfactant solutions 1. basic parameters.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 124 (2), 652-659 (1988).</li>
<li>Rotenberg, Y., Boruvka, L., Neumann, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+surface+tension+and+contact+angle+from+the+shapes+of+axisymmetric+fluid+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+And+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Determination of surface tension and contact angle from the shapes of axisymmetric fluid interfaces.</a> Journal of Colloid And Interface Science. 93 (1), 169-183 (1983).</li>
<li>Boyce, J. F., Schurch, S., Rotenberg, Y., Neumann, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Measurement+of+Surface+and+Interfacial+Tension+by+the+Axisymmetric+Drop+Technique%5BTitle%5D)+AND+%22Colloids+and+Surfaces%22%5BJournal%5D)">The Measurement of Surface and Interfacial Tension by the Axisymmetric Drop Technique.</a> Colloids and Surfaces. 9, 307-317 (1984).</li>
<li>Vonnegut, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotating+bubble+method+for+the+determination+of+surface+and+interfacial+tensions%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Rotating bubble method for the determination of surface and interfacial tensions.</a> Review of Scientific Instruments. 13 (1), 6-9 (1942).</li>
<li>Lin, S. -Y., Mckeigue, K., Maldarelli, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion-controlled+Surfactant+Adsorption+Studied+by+Pendant+Drop+Digitization%5BTitle%5D)+AND+%22AIChE+Journal%22%5BJournal%5D)">Diffusion-controlled Surfactant Adsorption Studied by Pendant Drop Digitization.</a> AIChE Journal. 36 (12), 1785-1795 (1990).</li>
<li>Sheng, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modern+chemical+enhanced+oil+recovery%3A+theory+and+practice%5BTitle%5D)+AND+%22Gulf+Professional+Publishing%22%5BJournal%5D)">Modern chemical enhanced oil recovery: theory and practice.</a> Gulf Professional Publishing. , (2010).</li>
<li>Moody, C. A., Field, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perfluorinated+surfactants+and+the+environmental+implications+of+their+use+in+fire-fighting+foams%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Perfluorinated surfactants and the environmental implications of their use in fire-fighting foams.</a> Environmental Science and Technology. 34 (18), 3864-3870 (2000).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

EBM i SBM to proste i niezawodne metody określania wartości naprężeń dla granicy faz powietrze/woda lub olej/woda pod ciśnieniem atmosferycznym. Wymaganymi informacjami dla tych metod jest gęstość każdej fazy, a do określenia wartości rozciągania9 nie są wymagane żadne informacje o kącie zwilżania. Głównym ograniczeniem technik jest to, że próbki powinny mieć niską lepkość i być jednofazowe lub mniej rozpuszczalne w środkach powierzchniowo czynnych. Dwa protokoły, EBM i SBM, służą do pomiaru warto...

Określenie równowagowego napięcia powierzchniowego (EST) lub równowagowego napięcia międzyfazowego (EIFT) danego granicy faz powietrze/woda lub olej/woda jest krytycznym krokiem dla zastosowań w szerokim zakresie obszarów przemysłowych, takich jak detergenty, zwiększony odzysk oleju, produkty konsumenckie i farmaceutyki1,2,3,4. Takie wartości naprężenia powinny być wyznaczane pośrednio na podstawie dynamicznego napięcia powierzchniowego (DST) lub dynamicznego napięcia międzyfazowego (DIFT), ponieważ tylko wartości naprężeń dynamicznych są bezpośrednio mierzalne. Dynamiczne wartości napięcia powierzchniowego (tj. pomiar wartości napięcia w funkcji czasu) są wyznaczane w regularnych odstępach czasu. Wartości naprężenia równowagowego uważa się za określone, gdy wartości czasu letniego są w stanie ustalonym. Wartości napięcia powierzchniowego rzeczywistej równowagi są lepiej ustalone, gdy są odporne na zakłócenia5. Kilka obserwacji relaksacji naprężeń po ściskaniu powierzchni zostało wcześniej zgłoszonych przez Millera i Lunkenheimera, którzy użyli dwóch klasycznych metod tensjometrycznych, pierścienia Du Noüya i metody płytki Wilhelmy'ego6,7,8. Metody te są mniej dokładne niż te użyte w tym badaniu, a czas letni był mierzony co kilka minut. Opracowano wiele technik pomiaru wartości napięcia powierzchniowego (ST) lub napięcia międzyfazowego (IFT) interfejsów, ale istnieje tylko kilka technik, które można wykorzystać do pomiaru wartości czasu letniego lub DIFT i pozwalają na zastosowanie perturbacji w celu przetestowania stabilności nabytych wartości napięcia w stanie ustalonym9. Jeśli roztwór wodny zawiera mieszaniny środków powierzchniowo czynnych, a jeden ze składników adsorbuje się znacznie szybciej niż pozostałe, może dojść do chwilowego plateau w krzywych DST 10. Wtedy przedstawione metody mogą nie działać dobrze w krótkich skalach czasowych jak w przypadku surfaktantów jednoskładnikowych, ale nadal mogą działać, jeśli procedury zostaną nieco rozszerzone na dłuższe skale czasowe.
Opisane tutaj protokoły pokazują reprezentatywne dane tylko dla wartości napięcia powierzchniowego roztworu powietrznego/wodnego. Protokoły te mają jednak również zastosowanie do IFT roztworu wodnego w stosunku do drugiej cieczy, takiej jak olej, który nie miesza się z roztworem wodnym i ma mniejszą gęstość niż roztwór wodny. Poniżej przedstawiamy dwie solidne metody, które spełniają te kryteria, metodę pojawiających się pęcherzyków (EBM) i metodę wirujących pęcherzyków (SBM). W obu metodach określa się wartości ST, które są oparte na kształtach pęcherzyków i nie wymagają informacji o kącie zwilżania, co może wprowadzać znaczne niepewności i błędy do pomiarów. W przypadku EBM zaburzenia obszaru są wprowadzane przez nagłą zmianę objętości pęcherzyka wyłaniającego się z końcówki igły strzykawki. W przypadku SBM zmiany częstotliwości rotacji próbek są wykorzystywane do perturbacji obszarowych. Szczegółowe protokoły mają na celu wskazanie badaczom w tej dziedzinie, aby mogli uniknąć typowych błędów lub błędów w tensjometrii dynamicznej i równowagowej oraz pomóc w zapobieganiu niedokładnym interpretacjom uzyskanych danych.

<table><tbody><tr><td>10 &mikro; L, Model 1701 SN SYR, Cemented NDL, Niestandardowy wskaźnik, długość, styl punktowy</td><td>Hamilton</td><td>80008</td><td>Wskaźnik: 26s, długość igły: 2,5 cala, styl punktowy: 2</td></tr><tr><td>Gęstościomierz Anton Paar</td><td>Anton Paar</td><td>DMA 5000</td><td></td></tr><tr><td>Barnstead MicroPure Water Purification System</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>50132374</td><td></td></tr><tr><td>Pojawiający się tensjometr pęcherzykowy</td><td>Ram&eacute;-Hart Instrument Company</td><td>Model 790</td><td></td></tr><tr><td>Tensjometr wirującej bańki</td><td>DaneInstrumenty</td> fizyczne <td>SVT 20</td><td></td></tr><tr><td>Triton X-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>X100</td><td></td></tr></tbody></table>

dokładne wyznaczanie równowagowych wartości napięcia powierzchniowego za pomocą testów perturbacji obszarowej

Accurate Determination of the Equilibrium Surface Tension Values with Area Perturbation Tests

Demonstrujemy dwa solidne protokoły do określania wartości napięcia powierzchniowego równowagi (EST) za pomocą testów perturbacji obszaru. Wartości EST należy pośrednio określić na podstawie wartości dynamicznego napięcia powierzchniowego (DST), gdy wartości napięcia powierzchniowego (ST) są w stanie ustalonym i stabilnym pod względem zakłóceń. Wybrano metodę pojawiających się pęcherzyków (EBM) i metodę wirujących pęcherzyków (SBM), ponieważ dzięki tym metodom łatwo jest wprowadzić perturbacje obszarowe przy jednoczesnym kontynuowaniu dynamicznych pomiarów naprężeń. Nagłe rozszerzanie się lub ściskanie pęcherzyka powietrza było wykorzystywane jako źródło perturbacji obszarowych dla EBM. W przypadku SBM zmiany częstotliwości rotacji roztworu próbki wykorzystano do wytworzenia zaburzeń powierzchniowych. Jako modelowy roztwór środka powierzchniowo czynnego zastosowano wodny roztwór Triton X-100 o stałym stężeniu powyżej krytycznego stężenia miceli (CMC). Określona wartość EST modelowej granicy faz powietrze/woda z EBM wynosiła 31,5 ± 0,1 mN·m-1, a z SBM 30,8 ± 0,2 mN·m-1. Dwa protokoły opisane w artykule zapewniają solidne kryteria ustalania wartości EST.

Dynamiczne napięcie powierzchniowe i równowagowe napięcie powierzchniowe wodnego roztworu Triton X-10 z wykorzystaniem EBM 
Zmierzono wartości SST roztworów Triton X-10 w kontakcie z powietrzem oraz zbadano stabilność 5 mM roztworu wodnego; wartość CMC dla tego surfaktantu w wodzie wynosi 0,23 mM14. Wartość SST1, 31,5 ± 0,1 mN·m-1, uzyskano około 20 s po utworzeniu pęcherzyka (Rysunek 3). Po około 25 s powierzchnię ściśnięto z...

Dwa protokoły do określania wartości napięcia powierzchniowego równowagi (EST) za pomocą metody pojawiających się pęcherzyków (EBM) i metody wirujących pęcherzyków (SBM) są przedstawione dla fazy wodnej zawierającej surfaktant w stosunku do powietrza.

Dokładne wyznaczanie równowagowych wartości napięcia powierzchniowego za pomocą testów perturbacji obszarowej

We demonstrate two robust protocols for determining the equilibrium surface tension (EST) values with area perturbation tests. The EST values should be ...

Protokoły te można włączyć do protokołów pomiaru naprężenia. Na przykład można je wykorzystać do pomiaru równowagowego napięcia międzyfazowego między fazą wodną i olejową. Każdy z dwóch protokołów przedstawionych w tym filmie może być wykorzystany do uzyskania solidnych i wiarygodnych wartości napięcia powierzchniowego równowagi.Wartości te można ustalić po przetestowaniu ich stabilności pod kątem zakłóceń obszarowych. Aby rozpocząć, przygotuj tensjometr i próbkę zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Następnie wybierz odwróconą igłę ze stali nierdzewnej na podstawie szacowanych wartości napięcia powierzchniowego i umieść ją na końcówce urządzenia dozującego.Następnie załaduj 40 mililitrów próbki cieczy do ogniwa kwarcowego. Umieść komórkę na szczycie platformy próbki. Wyreguluj wysokość odwróconej igły tak, aby końcówka igły znajdowała się co najmniej 20 milimetrów poniżej powierzchni próbki cieczy.Wstrzyknąć jeden mililitr powietrza przez zanurzoną odwróconą igłę w celu usunięcia zanieczyszczeń, które mogą znajdować się na końcówce strzykawki i poprawy czystości chemicznej powierzchni granicy faz powietrze/ciecz. Następnie eksperymentalnie określ początkową objętość pęcherzyka. Dozować obliczoną początkową objętość pęcherzyka, aby utworzyć pęcherzyk na końcu odwróconej strzykawki.Upewnij się, że bańka znajduje się w równowadze hydrostatycznej, tak aby bańka się nie poruszała. Zmierz dynamiczne napięcie powierzchniowe w oparciu o kształt wytworzonego pęcherzyka powietrza na końcu igły. Co sekundę obliczaj napięcie powierzchniowe w oparciu o metodę analizy osiowosymetrycznego kształtu kropli równania Laplace'a-Younga.Porównaj rzeczywisty kształt bańki z kształtem obliczonym. Jeśli te dwa kształty nakładają się na siebie, to równanie równowagi Laplace'a-Younga jest prawidłowe. To wnioskowanie jest całkowicie słuszne, gdy pęcherzyk przestaje się poruszać, a napięcie powierzchniowe przestaje się zmieniać.Zmierz napięcie powierzchniowe w funkcji czasu do momentu osiągnięcia pierwszego napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym. Napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym definiuje się jako płaszczyznę wartości, powyżej której napięcie powierzchniowe zmienia się o mniej niż jeden miliniuton na metr lub o mniej niż 5% w kilku kolejnych dynamicznych pomiarach napięcia powierzchniowego. Po osiągnięciu napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym zapisz objętość pęcherzyka i pole powierzchni.Następnie zmniejsz objętość pęcherzyków, usuwając jeden mikrolitr powietrza i zapisz nową objętość i powierzchnię pęcherzyków. Kontynuuj pomiar dynamicznego napięcia powierzchniowego w obszarach, aż dynamiczne napięcie powierzchniowe osiągnie drugie napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym. Następnie zwiększ objętość pęcherzyków, wstrzykując jeden mikrolitr powietrza, tak aby objętość i powierzchnia były podobne do wartości początkowych.Kontynuuj pomiar dynamicznych wartości napięcia powierzchniowego, aż do osiągnięcia trzeciego napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym. Jeśli trzy wartości napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym różnią się od siebie o mniej niż jedną miliniuton na metr lub o mniej niż 5%, wówczas definiujemy ich średnią jako równowagowe napięcie powierzchniowe. Umieścić napełniony uchwyt na próbkę w komorze wirowania tensjometru, a następnie obrócić rurkę z prędkością 500 obr./min.Powinno to zapobiec migracji wstrzykniętego pęcherzyka w górę lub przyczepianiu się do ścianki rurki. Następnie załaduj dwa mikrolitry powietrza do strzykawki. Wprowadzić igłę strzykawki przez gumową przegrodę, która uszczelnia rurkę wirującą i wstrzyknąć dwumikrolitrowy pęcherzyk powietrza do rurki wirującej.Zwiększ częstotliwość obrotu probówki z próbką, tak aby pęcherzyk zbliżał się do osi obrotu i bardziej się odkształcał z powodu zwiększonych sił odśrodkowych. Kontynuuj przyspieszanie, aż stosunek długości poziomej bańki do jej promienia w środku pęcherzyka wyniesie osiem lub więcej. Następnie wyreguluj kąt nachylenia komory pomiarowej, aby ustawić probówkę z próbką w poziomie.Zapobiegnie to ruchowi pęcherzyków i pomoże osiągnąć równowagę żyroskopytyczną, dla kształtu osiowosymetrycznego przyjętego w równaniu Laplace'a-Younga i zastosowanym algorytmie. Teraz zmierz i zapisz dynamiczne wartości napięcia powierzchniowego w odstępach jednosekundowych. Kontynuuj ze stałą częstotliwością obrotów, aż napięcie powierzchniowe osiągnie wartość w stanie ustalonym.Zapisz także objętość i obszar bąbelków. Po nagraniu zmień częstotliwość obrotu na drugą częstotliwość obrotu, aby zmienić pole powierzchni. Zmierz dynamiczne napięcie powierzchniowe przy stałej częstotliwości obrotu, gdy osiągnie drugą wartość w stanie ustalonym przy nowej częstotliwości.W tym momencie zapisz również objętość i obszar nowego bąbelka. Następnie zmień częstotliwość obrotu tak, aby była zbliżona do pierwotnej wartości. Mierz dynamiczne wartości napięcia powierzchniowego przy tej stałej częstotliwości obrotu, aż do osiągnięcia trzeciej wartości w stanie ustalonym.Ponownie zarejestruj nową objętość i obszar bąbelka. Za pomocą metody pęcherzyków pojawiających się zmierzono wartości napięcia powierzchniowego w stanie ustalonym pięciomilimolowego roztworu Triton X-100 w stosunku do powietrza. Stężenie to jest wyższe od krytycznego stężenia miceli dla tego środka powierzchniowo czynnego w wodzie.Napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym wynoszące 31,5 miliniutonów na metr uzyskano około 20 sekund po uformowaniu się pęcherzyka. Po około 25 sekundach objętość i obszar pęcherzyka zostały zmniejszone, a dynamiczne napięcie powierzchniowe spadło do 31 i w ciągu jednej sekundy wzrosło z powrotem do 31,5, oznaczając napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym numer dwa. Po około 50 sekundach objętość i obszar pęcherzyka uległy gwałtownemu zwiększeniu, a wartość dynamicznego napięcia powierzchniowego niewiele się zmieniła, a zatem napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym numer trzy również określono na 31,5 miliniutonów na metr.Wszystkie trzy wartości SST były takie same, dlatego napięcie powierzchniowe równowagi określono na 31,5 miliniutonów na metr. Stosując metodę wirujących pęcherzyków, stwierdzono, że napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym 1 wynosi 30,9 miliniutonów na metr, napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym dwa wynosi 30,6, a napięcie powierzchniowe w stanie ustalonym 3, a napięcie powierzchniowe w stanie równowagi wynosi 30,8. Obie metody wykazały 2,2% różnicy w wartościach napięcia powierzchniowego równowagi podczas pomiaru pięciu milimolowych Triton X-100.Wynikało to prawdopodobnie z jakichś błędów systematycznych. Najważniejszą rzeczą, o której należy pamiętać w przypadku metody pojawiających się pęcherzyków, jest utrzymanie warunków zbliżonych do równowagi hydrostatycznej. W przypadku metody wirujących bąbelków upewnij się, że stosujesz prawidłowe równanie.Metody opisane w tym filmie mogą być również stosowane do określania równowagowych wartości napięcia międzyfazowego między fazami wodnymi i olejowymi. Metody te zapewniają bardziej wiarygodny sposób obliczania, ile środka powierzchniowo czynnego absorbuje w równowadze na granicy faz powietrze-woda. Może być również stosowany do określania stopnia agregacji środków powierzchniowo czynnych w roztworze zwanym micelizacją.

accurate-determination-equilibrium-surface-tension-values-with-area

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy metodę pomiaru energii wiązania, wyrażonej jako napięcie powierzchniowe tkanki, pomiędzy komórkami wewnątrz trójwymiarowych agregatów przypominających tkankę. Wykazano, że różnice w napięciu powierzchniowym tkanki korelują z inwazyjnością nowotworów płuc, mięśni i mózgu oraz są fundamentalnymi czynnikami determinującymi ustanawianie relacji przestrzennych między różnymi typami komórek.

Pomiar kohezji agregatów metodą tensjometrii powierzchni tkanek

Ten artykuł demonstruje eksperymentalną procedurę pomiaru końcowych prędkości osiadania sferycznych cząstek w płynach lepkosprężystych na bazie surfaktantów rozrzedzanych ścinaniem. Przygotowywane są płyny o szerokim zakresie właściwości reologicznych i mierzone są prędkości osiadania dla różnych rozmiarów cząstek w płynach nieograniczonych i płynach między równoległymi ściankami.

Eksperymentalny pomiar prędkości osiadania cząstek sferycznych w nieograniczonych i ograniczonych płynach lepkosprężystych na bazie środków powierzchniowo czynnych rozrzedzających ścinanie

Przedstawiono metody ukierunkowanej ekstrakcji środków powierzchniowo czynnych obecnych w aerozolach atmosferycznych oraz określania ich bezwzględnych stężeń i krzywych napięcia powierzchniowego w wodzie, w tym ich krytycznego stężenia miceli (CMC).

Ekstrakcja i charakterystyka środków powierzchniowo czynnych z aerozoli atmosferycznych

Wiele białek w sensie komórkowym i indukuje krzywiznę błony. Opisujemy metodę wyciągania nanorurek błonowych z pęcherzyków lipidowych w celu zbadania interakcji białek lub dowolnej cząsteczki aktywnej pod kątem krzywizny z zakrzywionymi błonami in vitro.

Wyciąganie nanorurek membranowych z gigantycznych pęcherzyków jednowarstwowych

Tutaj przedstawiamy syntezę i charakterystykę uporządkowanego nanoporowatego węgla (o wielkości porów 4,6 nm) i SBA-15 (o wielkości porów 5,3 nm). W pracy opisano właściwości powierzchniowe i teksturalne nanoporowatych sit molekularnych, ich zwilżalność oraz topnienie D2O zamkniętego w materiałach.

Właściwości powierzchniowe zsyntetyzowanych nanoporowatych matryc węglowych i krzemionkowych

Tutaj prezentujemy mikroskopię sił atomowych (AFM), działającą jako narzędzie do nano- i mikro-indentacji komórek i tkanek. Przyrząd pozwala na jednoczesne pozyskiwanie topografii powierzchni 3D próbki i jej właściwości mechanicznych, w tym modułu Younga ściany komórkowej oraz ciśnienia turgoru.

Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do pomiaru właściwości mechanicznych i ciśnienia turgoru komórek roślinnych i tkanek roślinnych

Celem protokołu jest wiarygodny pomiar właściwości mechanicznych membrany gigantycznych pęcherzyków za pomocą aspiracji mikropipet.

Wykrywanie gigantycznych jednopłytkowych pęcherzyków hybrydowych przez elektroformację i pomiar ich właściwości mechanicznych za pomocą aspiracji mikropipetami

Przedstawiamy protokół do badania powstawania hydratów w obecności niejonowych środków powierzchniowo czynnych na granicy kropel wody zanurzonych w cyklopentanie. Protokół polega na zbudowaniu taniego, programowalnego regulatora temperatury. System kontroli temperatury jest połączony z technikami wizualizacji i pomiarami ciśnienia wewnętrznego.

Badanie wpływu środków powierzchniowo czynnych na krystalizację hydratów na granicy faz olej-woda przy użyciu niedrogiego, zintegrowanego modułowego urządzenia Peltiera

Ilustrujemy metody związane z badaniem przesiewowym i identyfikacją mikrobów wytwarzających biosurfaktanty. Przedstawiono również metody charakterystyki chromatograficznej i identyfikacji chemicznej biosurfaktantów, określające przemysłowe zastosowanie biosurfaktantu w zwiększaniu odzysku oleju resztkowego.

Zwiększony odzysk oleju dzięki połączeniu biosurfaktantów

Ten manuskrypt opisuje konstrukcję i działanie mikrotensjometru/mikroskopu konfokalnego do wykonywania jednoczesnych pomiarów napięcia międzyfazowego i reologii dylatacyjnej powierzchni przy jednoczesnej wizualizacji morfologii międzyfazowej. Zapewnia to konstruowanie w czasie rzeczywistym relacji struktura-właściwości interfejsów ważnych w technologii i fizjologii.

Mikrotensjometr do mikroskopii konfokalnej Wizualizacja dynamicznych interfejsów

Poznaj metody EBM i SBM do precyzyjnego pomiaru równowagowego napięcia powierzchniowego w fazach wodnych z surfaktantami. Protokoły zapewniają niezawodne wyniki przy testach perturbacji obszarowej.

Dokładne wyznaczanie równowagowych wartości napięcia powierzchniowego za pomocą testów perturbacji obszarowej

Przeglądaj więcej filmów