界面活性水溶液中の油の自発運動における、化学・力学エネルギー変換メカニズムの解

表面活性剂水溶液中油自发运动的化学/机械能转换机理分析

• 批准号: 07855009
• 负责人: 山本 哲也
• 金额: $ 0.51万
• 依托单位: Tokyo Metropolitan College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1995
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1995 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07855009/
• 关键词: エネルギー変換; 表面張力; 界面活性剤

シャーレに満たした界面活性剤(トリメチルステアリルアンモニウムクロリド)水溶液中に油滴(ニトロベンゼン)を注入したとき、油滴は、シャーレに沿った自発的な回転運動を行う。その運動をCCDカメラによって録画し、画像処理を用いて解析した。はじめに、角速度の温度依存性を調べた。温度と角速度のアレニウスプロットをとったところ、約20℃を境にして傾きが急激に増大した。また、40〜20℃においても、温度の減少に比例してアレニウスプロットの傾きが大きくなった。次に、シャーレの半円のみを水酸化ナトリウムで処理した時の、油滴の運動を調べた。油滴が処理領域に入るとき、角速度は加速され、処理領域から未処理領域に出るときに減速するという現象が見られた。これらのことから、油滴の運動には、表面張力が、寄与していることが示唆された。次に、油水界面電位と油滴の運動との関係を調べた。界面活性剤水溶液に塩化ナトリウムを加えた場合と加えない場合において、界面電位と角速度のフーリエ変換スペクトルを比較したところ、定性的に同じ変化を示した。油水界面電位は、油水界面上の界面活性剤分子の濃度を反映しているので、この結果は、界面活性剤分子による表面張力の揺らぎが、油滴の運動の揺らぎに反映していると考えられる。以上のことから、油滴の運動には、界面活性剤分子に依存した表面張力の揺らぎが重要な役割をはたしているといえる。現在、油水界面に、外部から電気的信号(パルス波・サイン波)を加えたところ、信号に同期して油水界面が振動することを確認した。この油水界面の振動は、入力電圧に依存して、油水界面での界面活性剤分子の濃度が変化することによると考えられる。今後は、界面活性剤分子の化学エネルギーを効率よく力学エネルギーに変換するため、界面での活性剤分子の濃度を電気信号によってどのように制御すればよいかを調べたいと考えている。

当将油滴（硝基苯）注入装满培养皿的表面活性剂（三甲基硬脂基氯化铵）水溶液中时，油滴会自发地沿着培养皿旋转。使用 CCD 摄像机记录运动并使用图像处理进行分析。首先，我们研究了角速度的温度依赖性。当我们绘制温度和角速度的阿伦尼乌斯图时，我们发现斜率在 20°C 左右迅速增加。此外，即使在 40 至 20°C 的温度下，阿累尼乌斯图的斜率也随着温度的降低而成比例增加。接下来，我们研究了仅用氢氧化钠处理培养皿的半圆时油滴的运动。观察到这样的现象：当油滴进入处理区域时角速度加速，而当油滴从处理区域离开到未处理区域时角速度减速。这些结果表明表面张力有助于油滴的运动。接下来，我们研究了油水界面电势与油滴运动之间的关系。比较在表面活性剂水溶液中添加氯化钠时和不添加氯化钠时的界面电位和角速度的傅里叶变换谱，显示出相同的定性变化。由于油水界面电位反映了油水界面上表面活性剂分子的浓度，因此该结果表明，表面活性剂分子引起的表面张力的波动反映在油滴运动的波动中。由此可见，取决于表面活性剂分子的表面张力的波动对于油滴的运动起着重要作用。目前，当我们向油水界面施加外部电信号（脉冲波/正弦波）时，我们已经确认油水界面与信号同步振动。油水界面处的这种振动被认为是由于油水界面处的表面活性剂分子的浓度根据输入电压而变化所致。未来，我们希望研究如何利用电信号控制界面表面活性剂分子的浓度，从而有效地将表面活性剂分子的化学能转化为机械能。