Американские исследователи зафиксировали спонтанные колебания капель ацетона на очень тонкой подложке в условиях отсутствия внешних воздействий. Было установлено, что причиной такого движения капель является взаимодействие деформации и релаксации подложки, обусловленной весьма активными процессами абсорбции и испарения жидкости на ее поверхности. Ученые провели теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей движения в данной системе. Предполагается, что открытые эффекты могут быть использованы при разработке миниатюрных двигателей. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Если поместить каплю жидкости на ровную твердую поверхность, её форма будет зависеть от смачиваемости этой поверхности: капля либо растечется по поверхности, либо примет форму, близкую к шару. Смачиваемость обусловлена балансом сил взаимодействия между молекулами жидкости и молекулами более плотного материала.
Демонстрация: Aditi Chakrabarti / Harvard SEAS
Как правило, если на каплю не действуют внешние силы или структура поверхности не создаёт градиента потенциала, её движение прекращается. Однако исследователи из Гарвардского университета под руководством Адити Чакрабати добились колебаний капли ацетона на поверхности полидиметилсилоксана без применения какого-либо внешнего воздействия.
Колебания возникли из-за того, что в присутствии ацетона поверхность набухала и искривлялось, что заставляло каплю стекать с образовавшейся горки в сторону сухой поверхности. Однако высокая испаряемость ацетона приводила к тому, что искривленная поверхность при контакте с воздухом быстро релаксировалась, в то время как под каплей возникала новая горка и снова приводила ее в движение.
Затухание колебаний капли в процессе уменьшения ее объема. Aditi Chakrabarti / Harvard SEAS
На периодичность такого процесса должны сильно влиять скорость деформации поверхности в процессе впитывания ацетона и скорость его испарения. Для численной оценки взаимосвязи этих факторов и иных происходящих в системе процессов физики решили использовать число Пекле — безразмерный параметр соотношения между конвективными и молекулярными процессами переноса тепла в жидкости. Регулируя химический состав капли, ученые определили, что для возникновения колебаний число Пекле должно быть близко к 10.
Далее физики перешли к более подробному описанию движений капли в случае, когда жидкость колеблется вдоль одного направления. При таких условиях ученым удалось создать упрощенную динамическую модель системы, в которой они связали режим осцилляций с характерным временем искривления поверхности, скоростью движения капли под действием гравитации и быстротой испарения жидкости. В результате авторы теоретически разграничили плавные колебания жидкости и движение капли рывками.
Схема одномерных колебаний капли и зависимость ее положения от времени. Aditi Chakrabarti et al. / Physical Review Letters
Наконец, исследователи понаблюдали за поведением жидкости на неограниченной плоской мембране — при движении в двух направлениях. В таких условиях капли ацетона начинали вращаться вокруг своей оси, причем по их краям возникали характерные выпуклости, похожие на лучи морской звезды. Физики проследили связь между толщиной мембраны, объемом капли, скоростью ее вращения и числом ее «отростков»: оказалось, что чем меньше последних, тем быстрее они передвигаются по поверхности.
Различные формы движения капли в зависимости от начального объема жидкости и толщины мембраны. Aditi Chakrabarti et al. / Physical Review Letters
То, что параметры колебания капли можно регулировать, в будущем позволит использовать это явление на практике. К примеру, авторы считают, что движение капель ацетона можно будет применить в разработке маломасштабных двигателей, а также для объяснения принципов движения в ряде биологических систем.
Ранее физики уже заставили капли самопроизвольно подниматься по ступенькам разной смачиваемости, ускорили капли на поверхности масла с помощью вибраций и даже научились стрелять жидкостью с супергидрофобной поверхности.
Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/
