В ФИАНе проведены исследования мыльно-желатиновых пленок. В жидких пленках обнаружены любопытные нелинейные оптические свойства с образованием узких треков, а в подсохших – повышение упругости и прочности, сулящие большие технологические перспективы. Как ожидают, подобными механическими характеристиками будут обладать самые тонкие монослойные графеновые пленки больших размеров (но только тогда, когда они появятся). До той поры экспериментаторы получают возможность отрабатывать технологии на образцах схожих мыльно-желатиновых пленок.

    Нелинейные свойства прозрачной тонкой жидкой пленки (микронной толщины независимо от ее состава) проявляются в образовании в ней узких световых каналов при введении в нее даже небольших (милливаттных) световых потоков. Природа образования таких треков связана с легкой деформируемостью пленки и с выпячиванием (вздутием) ее плоской поверхности малым световым давлением введенного излучения.

    Образующиеся в мыльной или в радужной пленке на воде узкие, напоминающие по форме молнии, световые треки шириной 10-20 мкм, идущие без расходимости иногда на десятки сантиметров, представляют научный и практический интерес, но исследование их затруднено, поскольку они самопроизвольно быстро мечутся, меняют свой путь, и их небольшая яркость требует для изучения высокочувствительной скоростной аппаратуры.

    Можно замедлить скорости изменения пути треков в пленках, когда пленки готовят из растворов с повышенной вязкостью. Для этого были исследованы водные пленки с поверхностно активными веществами с добавками глицерина и вязкого меда. С точки зрения вязкости интересным объектом является тонкая водно-желатиновая пленка, в которой треки наблюдаются, пока она жидкая, и исчезают, когда пленка высыхает и затвердевает.

    Время жизни жидкой фазы такой пленки можно увеличить, если изменить ее состав и добавить к водно-желатиновому раствору еще специально подобранное мыло, глицерин и, для уменьшения высыхания, поместить пленку в герметичный объем.

    Необычные свойства мыльно-желатиновой пленки с добавкой глицерина позволили замедлить в ней движение лазерных пространственных солитонов (треков) и впервые дали возможность прояснить природу их метаний. Полезной для изучения треков оказалась способность таких пленок в закрытых объемах сохранять свою форму и оптические свойства в течение долгого времени (уже год).

    В ФИАНе показано, что в такой пленке узкие треки образуются и с широкополосным белым светом. Впервые одиночный трек, образующийся в мыльно-желатиновой пленке под действием светового давления, позволил продемонстрировать влияние на него модуляции возбуждающего светового потока вплоть до рассыпания трека. Эти работы являются продолжением исторических работ П.Н. Лебедева по наглядной демонстрации действия светового давления.

    Свойства желатиновых пленок оказались интересными не только в жидком виде в закрытом объеме, но и на воздухе, когда из них постепенно испаряется вода. Как известно, обычные мыльные пузыри при этом лопаются. Прозрачные пузыри из мыльно-желатиновой пленки после подсыхания не лопаются, а могут сохраняться в исходном виде неделями. Это открывает большие возможности их использования в оптике и механике.

    В отличие от известных мыльных полимеризующихся пленок, высыхающих и сдувающихся за сутки, желатиновые пузыри даже без воды сохраняют эластичность и могут в течение суток сохранять свою форму, см. рисунок 1. Это подтвердило догадку, что тонкая желатиновая пленка упруга и мало проницаема для воздуха.

    Высокая эластичность мыльно-желатиновых пленок, несвойственная простому студню из желатина, обусловлена добавками глицерина и специально подобранного мыла. В таком растворе возникает новая структура связей длинных молекул желатина и глицерина, напоминающая резину.

    Обращают на себя внимание и оптические свойства тонкой желатиновой пленки. Поскольку исходная и подсохшая мыльная пленка обладают гладкой поверхностью, то и 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 рисунке 2.

Рисунок 2. Зеркальное отражение от застывшей мыльно-желатиновой пленки
диаметром 57 мм разной кривизны

    Толщина пленки, судя по цвету, 5-10 мкм. О неожиданной прочности такой подсохшей пленки можно судить по нагрузке, которую она выдерживает (см. рисунки 3, 4 ниже).

    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 выдерживает нагрузку около 1 г/см, которая – на порядок больше и не может быть обеспечена простым поверхностным натяжением, а требует напряжения и внутри пленки.

    При снятии нагрузки пленка, как видно по отражению от нее, за секунды полностью восстанавливает свою исходную форму (cм. видео ниже). По существу, пленка является образцом необычной прозрачно-зеркальной резины, которая может быть полезной для самых разнообразных применений в оптике.

На Видео 1: Пластмассовый шарик на пленке Подсохшая мыльно-желатиновая пленка диаметром 57 мм многократно выдерживает нагрузку от пластмассового шарика и затем (как резиновая мембрана) за секунды полностью восстанавливается  от прогиба при  снятии нагрузки	На Видео 2: Железный шарик на пленке Железный шарик (5 мм) на подсохшей мыльно-желатиновой пленке диаметром 100 мм , натянутой на чашке Петри, до дна продавил ее и прилип к пленке. С помощью магнита этот шарик поднимается и тянет за собой пленку. Опыт показывает высокую упругость и прочность пленки, которая после большой деформации и отрыва шарика не повреждается и сохраняет свои зеркальные свойства
(для просмотра – щелкнуть мышкой на фотоизображении, видео в формате WMV)

    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 нагрузку или давление воздуха под пленкой), рисунок 3.

Рисунок 3. Прогиб подсохшей мыльно-желатиновой пленки диаметром 57 мм под действием налитой
на нее 10 г жидкости (слева) и стального шарика диаметром 8 мм (справа)

    Наливаемая жидкость может быть полимеризующейся, как эпоксидная смола, и после застывания на пленке она без дополнительной обработки превращается в асферическую прозрачную линзу с оптически гладкими поверхностями и малым фокусным расстоянием (рисунки 4-6, видео 3). Прогиб гибкой мембраны под действием налитой жидкости теоретиками пока не рассчитан, но есть основания полагать, что при оптимальной нагрузке он имеет форму готовой асферической линзы.

Рисунок 4. Прогиб мыльно-желатиновой пленки диаметром 57 мм под действием порции
жидкой эпоксидной смолы для получения из нее застывшей оптической линзы

    Специалисты, знакомые с проблемами изготовления асферической оптики могут оценить такой подарок природы.

    В проведенных опытах желатиновая пленка, фактически, как бы на порядок увеличивает поверхностное натяжение наливаемых на нее жидкостей, или на порядок уменьшает для них земное притяжение, в результате чего их капли имеют большой размер. Если раньше из обычных затвердевающих капель жидкостей можно было делать только малые линзы (линзы Левенгука – около 1 мм), то с желатиновой пленкой такие капли становятся тяжелее на порядок и гораздо больше по размеру. При этом, в отличие от обычных капель, у них гладкими являются не только нижняя, но и верхняя, контактирующая с воздухом, поверхность.

Рисунок 5. Эпоксидная линза диаметром 16 мм с фокусным расстоянием 5 мм,
полученная на пленке (Рисунок 4)

Рисунок 6. Экран компьютера, вид через вышеупомянутую эпоксидную линзу

О качестве такой эпоксидной линзы диаметром 16 мм с фокусным расстоянием 5 мм можно судить по рисункам 5, 6 и видео 3.

Видео 3. Эпоксидная линза диаметром 16 мм с фокусным расстоянием около 5 мм
при фокусировке солнечного света легко поджигает копировальную бумагу
(для просмотра – щелкнуть мышкой на фотоизображении, видео в формате WMV)

     При доработке технологии изготовления таких линз их свойства, несомненно, могут быть улучшены.

    Научный интерес может представлять также исследование тепло- и электропроводных свойств, прочность подсохших пленок с возможными добавками, а также способность дополнительно обработанных пленок контактировать и прилипать к различным поверхностям. Интересна также возможность получения из тянущегося застывающего мыльно-желатинового раствора тонких длинных нитей и световодов, обладающих 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.

     Имеется важная связь продемонстрированных механических свойств мыльно-желатиновой пленки с динамикой формирования лазерных треков в тонких жидких пленках. Растянутый во времени процесс собирания жидкости в нарастающем прогибе на пленке является в некотором роде наглядной увеличенной моделью механизма образования лазерных треков в жидких пленках. В световых треках тоже есть прогиб, в котором собирается жидкость из окружающих областей, а затем и свет. Поэтому теоретическое рассмотрение процесса сбора жидкости в стационарную форму в центре 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, но эта область выгиба создается за счет действия на поверхность пленки светового давления, изменяющегося в процессе формирования. 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 описание процесса деформации желатиновой пленки позволит в будущем проработать и теорию динамики формирования треков.

    Описанные выше свойства мыльно-желатиновых пленок отражены в заявке на изобретение с возможными применениями в оптике, квантовой радиофизике и механике.

    Комментируя тему, главный научный сотрудник Лаборатории фотоники молекул ФИАН, д.ф-м.н. Ю.Ю. Стойлов сказал следующее:

    «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».

В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»

От редакции.

Вниманию заинтересовавшихся читателей мы также предлагаем другие работы на данную тему:

1)  Ю.Ю. Стойлов. Опыты с мыльно-желатиновой пленкой

2)  А.В. Старцев, Ю.Ю. Стойлов. Симфония оптических треков

3) Ю.Ю. Стойлов. Механизм образования световых каналов в тонких пленках

4) Ю.Ю. Стойлов. Оптические опыты с мыльно-желатиновой пленкой

А также видео ко второй работе (с музыкальным сопровождением):

1. Симфония 1 (http://preprints.lebedev.ru/wp-content/uploads/2011/12/2008_5_2.wmv).

В свободную круглую вертикально расположенную мыльно-глицериновую пленку с добавкой меда диаметром 100 мм и толщиной  0.1-20 мкм, помещенную в закрытую кювету рядом с выходным окном, снизу через стенку кюветы и раствор фокусируется свет от непрерывной  зеленой лазерной указки (532 нм, 10 мВт).  Угол фокусировки – около 1 градуса. В пленке луч разбивается на узкие треки, которые из-за их воздействия на пленку находятся в постоянном  движении. Скорость перестройки треков в таком самоуправляемом  «оптическом компьютере» зависит от мощности лазера и вязкости раствора, используемого для создания  пленки. Музыка подобрана позже и влияния на изображение не оказывает

2. Симфония 2 (http://preprints.lebedev.ru/wp-content/uploads/2011/12/2008_5_1.wmv)

В свободную круглую вертикальную мыльно-глицериновую пленку диаметром 100 мм и толщиной 0.1-20 мкм добавлен флуоресцирующий краситель и уменьшена вязкость раствора.  Треки отражаются от верхней границы с тонкой так называемой «черной» пленкой. Музыка подобрана позже и влияния на перестройки в изображении не оказывает