Физики научились быстро заворачивать капли масла в тонкие полимерные мешочки
Физики предложили способ очень быстрого оборачивания микролитровых капель масла в тонкие полимерные пленки. Для создания подобных капсул каплю масла можно просто бросить на поверхность воды, по которой плавает пленка нанометровой толщины нужной формы. Процесс получения одной такой капсулы занимает доли секунды, пишут ученые в Science.
Чтобы оптимизировать физические и химические процессы в многофазных жидкостях, часто разные фазы предлагают разделять на микрокапельки, разделяя их между собой тонкой пленкой. Образующиеся при этом капсулы миллиметрового или микронного размера используют для транспорта веществ, ограничения диффузии, препятствия слияния капель или в в качестве микрореакторов для химических превращений. Как правило, для разделения фаз используются поверхностно-активные вещества, которые создают между водой и маслом одномолекулярный слой.
Однако такие слои довольно легко разрушить, а их образованием не всегда просто управлять. Поэтому, чтобы создавать более устойчивые капсулы, фазы предлагают разделять более толстыми пленками — тоже тонкими, но все же не молекулярной толщины, а хотя бы в несколько десятков нанометров. Для этого можно использовать, например, пленки из инертных полимеров, однако на данный момент методы получения таких капсул практически достаточно сложны и занимают довольно много времени.
Группа физиков из США, Китая и Японии под руководством Нараянана Менона (Narayanan Menon) из Массачусетского университета разработала новый метод создания капсул различной формы, в которых каплю масла покрывает полистирольная пленка нанометровой толщины. Процесс получения капсул занимает меньше секунды и проходит следующим образом. Сначала но поверхность воды в небольшом сосуде помещается вырезанный из полистирольной пленки диск радиусом от 1,6 до 3,2 миллиметров (в данной работе физики использовали пленки толщиной от 46 до 372 нанометров). После это сверху на пленку с высоты от 1 до 30 сантиметров ученые бросают небольшую капельку масла радиусом примерно 1 миллиметр. Авторы работы предложили использовать масло, у которого плотность примерно в 2 раза больше, чем у воды, а поверхностное натяжение — в 4,5 раза меньше.
При падении капли в области падения сначала формируется воздушная воронка, которая затем за счет поверхностного натяжения схлопывается обратно, приводя к всплеску, и постепенно возвращая поверхности воды плоскую форму. Вторая стадия процесса с подъемом воды наверх приводит к оборачиванию капли масла в полимерную пленку. Объем образовавшейся капсулы полностью определяется площадью пленки, весь «лишний» объем масла оказывается снаружи. При этом физики отмечают, что несмотря на то, что процесс всплеска никак не контролируется, такой механизм оборачивания приводит к образованию замкнутых капсул с практически идеальными швами.
Если радиус полистирольного диска соизмерим с радиусом капли, то насколько удачным окажется процедура оборачивания капли в пленку с помощью такого механизма, зависит от числа Вебера — соотношения между инерцией капли масла и поверхностным натяжением. То есть обернется капля в пленку или нет, зависит от высоты, с которой бросить каплю масла, а также ее радиуса, поверхностного натяжения и плотности. Если же радиус диска достаточно маленький (меньше 2,5 радиуса капли), то вероятность успеха сильно повышается, и капсулы образуются при большинстве доступных в эксперименте условий.
Если вместо круглого полистирольного диска нанометровой толщины использовать пленки другой формы (например, параллелограмма, креста или зигзага), то таким образом можно менять и форму образующихся трехмерных капсул.
Авторы работы отмечают, что получение полностью замкнутых капсул нужной формы с практически идеальными швами препятствует испарению и диффузии масла. Кроме того, подобный процесс возможен не только для многофазных сред, состоящих из воды и масла, но и для других растворителей с подходящими значениями плотности и поверхностного натяжения. Также таким способом можно получать и капсулы, покрытые многослойными пленками. Ученые утверждают, что полученные таким способом капсулы можно использовать для транспорта веществ или для ограничения объема протекающих химических реакций.
Если капли жидкости в двухфазной системе вода-масло имеют не миллиметровый размер, а микронный, для их разделения все же более оправдано использовать не тонкие полимерные пленки, а молекулы поверхностно-активных веществ. Получая такие капли в микрофлюидных устройствах, можно собирать из них, например, упорядоченные сложные системы, по своей структуре похожие на атомы. А для получения упорядоченных систем без контакта между каплями одной фазы можно их вообще ничем не покрывать и использовать для этого гидродинамические и термодинамические неустойчивости.
Александр Дубов
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.