Капли ацетона на мембране подвигались без внешнего воздействия

Американские физики увидели колебания ацетоновых капель на тонкой подложке без какого-либо внешнего воздействия. Причиной движений оказалось сочетание искривления и релаксации подложки за счет впитывания и испарения жидкости на ее поверхности. Ученые теоретически и экспериментально описали закономерности движения в такой системе и предположили, что обнаруженные эффекты можно будет применить в разработке маломасштабных двигателей. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Если поместить каплю жидкости на твердую плоскую поверхность, то она либо распластается по твердому телу, либо примет форму, близкую к шарообразной, — в зависимости от смачиваемости поверхности. Смачиваемость, в свою очередь, зависит от того, как соотносятся силы притяжения частиц жидкости между собой и с частицами более плотного вещества. В случае, если структура поверхности или внешние силы не создают градиент потенциала капли, то на этом ее движение обычно останавливается.

Однако Адити Чакрабати (Aditi Chakrabarti) из Гарвардского университета вместе с коллегами заставил каплю из ацетона колебаться на подложке из полидиметилсилоксана без какого-либо внешнего воздействия на систему. 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.

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.

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.

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.

Читайте также

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.