Физики изучили расслоение кофе и молока в латте

Если вылить менее плотную жидкость в более плотную, они перемешаются, однако при дальнейшем охлаждении смеси в ней могут возникнуть четко различимые слои. Например, такое разделение происходит в латте — смеси кофе и молока. Физики из США, Швеции и Южной Кореи подробно исследовали это явление и показали, что существует некоторая критическая скорость впрыскивания, ниже которой разделения на слои не происходит. Статья опубликована в Nature Communications.

Чтобы приготовить латте, нужно смешать небольшой объем эспрессо (около 30 миллилитров) и молока (150 миллилитров), разогретых примерно до пятидесяти градусов Цельсия. Конечно, соотношения и температура могут быть другими, но авторы статьи придерживались такого рецепта. Если вылить кофе в молоко, жидкости перемешаются, и возникнет сложная хаотичная структура (картинка b). Однако со временем смесь охладится, и в ней образуется множество слоев, которые отличаются друг от друга концентрацией кофе, а потому границы между ними легко разглядеть (картинка c). Примечательно, что эта структура довольно долго сохраняется — ее можно различить даже спустя несколько десятков минут (картинка d).

Вдохновляясь этим процессом, физики из США, Швеции и Южной Кореи решили более подробно исследовать, как перемешиваются жидкости разной плотности. Только для удобства они выбрали не кофе и молоко, а подкрашенную воду (плотность 0,992 грамм на сантиметр кубический) и 9,1-процентный водный раствор хлорида натрия (1,056 грамм на сантиметр кубический). Объем впрыскиваемой воды равнялся 30 миллилитрам (так же, как и в случае с кофе), начальная температура жидкостей составляла 40 градусов Цельсия, получившаяся смесь охлаждалась до комнатной температуры (22 градуса). Установка могла впрыскивать воду с несколькими различными скоростями.

Оказалось, что процесс расслоения существенно зависит от скорости впрыскиваемой воды. Так, при скорости 0,17 метров в секунду расслоения не происходило — вся краска скапливалась в небольшом слое около поверхности, в котором плотность жидкости плавно менялась. С другой стороны, при скорости 0,37 метров в секунду слои возникали, к тому же краска распространялась на бóльшую глубину. Вообще говоря, образование слоев прекращалось при некоторой критической скорости, примерно равной 0,21 метра в секунду. Интересно, что разделение на слои не пропадало даже в случае легкой встряски банки с раствором.

Помимо экспериментов с реальными жидкостями, физики численно смоделировали разделение на слои, предполагая, что оно определяется процессами диффузии и переноса тепла в жидкости. Перепад температур между нижней и верхней поверхностью банки с раствором ученые полагали постоянным. Полученные картинки в целом совпали с экспериментальными данными.

Кроме того, ученые показали, что исследованный ими процесс можно использовать для создания мягких материалов с четко различимыми слоями. Для этого они впрыскивали со скоростью около одного метра в секунду горячий раствор геля (UltraPure^TM Agarose, Invitrogen) в растворитель, а затем охлаждали его до комнатной температуры. В результате они получили набор слоев геля с различными свойствами: например, модули Юнга верхнего и нижнего слоя отличались почти в пять раз.

Недавно физики исследовали другой интересный эффект, возникающий, когда капля холодного молока падает в горячий кофе. Оказывается, что из-за разницы температур в зазоре между каплей и поверхностью возбуждаются газовые потоки, которые заставляют каплю левитировать.

Дмитрий Трунин