Эффект Марангони поможет бесследно очистить поверхность жидкости

Международный коллектив физиков описал, как ведет себя поверхность одной жидкости, если на нее поместить каплю другой, но взаиморастворимой, жидкости. Оказалось, что капля сперва образует на поверхности так называемую «линзу», а затем под действием эффекта Марангони начинает смешиваться с объемом исходной жидкости, вызывая в ней устойчивые завихренные течения. Авторы предполагают, что при помощи описанного эффекта удастся создать технологию очистки жидких поверностей, исключащую загрязнение теми или иными нерастворимыми примесями «моющего» средства. Работа опубликована в Nature Physics.

Эффект Марангони — это течение, возникающее в жидкости под действием перепада поверхностного натяжения. Этот эффект отвечает за появление характерных «слез» в бокале вина. Для понимания физики процесса можно представить в качестве аналогии перепад давления воздуха, следствием которого является течение, которые мы называем «ветер». Разница с эффектом Марангони лишь в том, что ветер дует из области высокого давления в область низкого, а течение Марангони — наоборот, из области низкого поверхностного натяжения в область высокого.

Если на поверхность воды поместить каплю масла, поверхностное натяжение которого меньше, чем у воды, то возникнет течение Марангони, из-за которого капля быстро растечется. Но до сих пор оставался неотвеченным вопрос, что будет в аналогичной ситуации с каплей растворимой в воде жидкости. Интуитивно кажется, что капля быстро растворится, но, поскольку этого не может произойти мгновенно, до полного растворения будет наблюдаться то или иное течение.

Авторы новой работы исследовали на поверхности воды поведение капель изопропанола, равно как и несколько других жидкостей, растворимых в ней. Ученых прежде всего интересовала динамика растекания капли, а также структура образующихся течений и характерное время, в течение которого они были устойчивы. Для того, чтобы визуализировать движение жидкости, ученые использовали метод велосиметрии частиц-трейсеров (particle tracking velocimetry, PTV). В их роли выступали полистирольные шарики диаметром в 100 микрон.

Спустя несколько десятков миллисекунд после контакта с поверхностью воды капля изопропанола приобретала форму линзы, радиус которой зависел от целого ряда факторов: поверхностного натяжения жидкостей, объема капли, плотности изопропанола и его коэффициента диффузии в воде. При этом линза сохраняла свой радиус практически неизменным в течение нескольких секунд, несмотря на то, что с ее краев шло постоянное вымывание изопропанола, растворявшегося в воде.

Так как поверхностное натяжение изопропанола меньше, чем у воды, в системе возникали течения Марангони, направленные от центра капли к ее краям. Авторы теоретически оценили скорость такого течения и проверили результаты при помощи прямых измерений. Оказалось, что скорость растекания была максимальной в тонком слое вблизи края линзы, а затем медленно спадала с расстоянием от центра. Одновременно с этим в толще воды наблюдались устойчивые вихревые течения, которые приносили новые порции жидкости к капле взамен тех, что «утекали» под действием эффекта Марангони.

Авторы исследовали описанный эфект для десятка различных жидкостей и их комбинаций с поверхностно-активными веществами. По результатам ученые пришли к выводу, что с помощью правильно подобранной смеси течения Маранони могут эффективно очищать поверхность воды. А за счет того, что «очищающая» жидкость полностью растворима в воде, можно избежать вторичных загрязнений, которые часто возникают из-за нерастворимых примесей.

Новый метод очистки может пригодиться в тех условиях, где требуется не только высокая степень чистоты, но и деликатность подхода. Такое часто наблюдается в областях, смежных с микроэлектроникой. Ранее уже были предложены похожие механизмы очистки, но уже не жидких, а твердых поверхностей. Тогда течения так же вызывались перепадом, но не поверхностного натяжения, а концентрации ПАВ вблизи заряженной стенки. Необычный эффект, который возникает в этом случае, называется диффузиоосмосом, и работает как мягкая «щетка» для деликатных компонентов.