Самопроизвольный разрыв капли на тысячи частей засняли на видео

Физики из Франции и Бельгии описали распад капли водно-спиртовой смеси на поверхности масла и добились контроля над размером образующихся вторичных капель. В частности, авторам удалось подобрать такой состав смеси, при котором процессы испарения позволяют получить из одной крупной тысячи микроразмерных капель. Методика может использоваться для быстрого получения десятков миллионов микроскопических капель, что может быть необходимо, например, для устранения загрязнений. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Динамические процессы в жидкостях описываются с помощью системы дифференциальных уравнений — уравнениями Навье-Стокса. До сих пор эти уравнения не только не решены в общем случае, но и неизвестно, имеют ли они вообще гладкое решение. Это значительно усложняет описание даже таких простых процессов, как растекание капли жидкости. Исследуя экспериментально различные процессы в жидкости ученые сталкиваются с необычными и красивыми явлениями. Например, в 2016 году физики из Принстонского Университета, вдохновившись работами фотографа Эрни Баттона, описали режим испарения капель виски, приводящий к образованию практически однородных покрытий (в отличие от «кофейных колец»).

Авторы новой работы исследовали поведение капли водно-спиртовой смеси на поверхности масла. Так как эти жидкости не смешиваются, то форма капли определяется силами поверхностного натяжения на границах с воздухом и маслом. Эти силы могут сильно меняться в зависимости от состава смеси — из-за этого капля может растечься тонким слоем по всему маслу или наоборот остаться компактным приплюснутым шариком. 

Из-за летучести спирта сила поверхностного натяжения начинает меняться со временем. Так как поверхностное натяжение воды гораздо больше, чем у спирта, испарение ведет к постепенному увеличению натяжения. Испарение идет гораздо быстрее по краям, нежели в центре капли, поэтому возникают потоки жидкости направленные к краям капли — эффект Марангони. Одновременное сокращение размеров капли приводит к отрыву от нее маленьких фрагментов. 

В эксперименте ученые использовали смесь изопропанола и воды. В частности, распад наблюдался при содержании 35 процентов изопропанола в смеси. Контролируя концентрацию спирта физики научились изменять размер образующихся микроскопических капель: от нескольких микрон до миллиметра. 

Ранее физики из Франции и Великобритании выяснили, каким образом можно уменьшить количество брызг при падении капли на твердую поверхность. Это поможет ученым создать брызгогасящие поверхности для работы с опасными жидкими препаратами и веществами. 

Владимир Королёв