Физики ускорили сбор росы с помощью канавок
Французские физики в два раза ускорили конденсацию и сбор росы с плоской пластинки, нанеся на ее поверхность параллельные микрометровые канавки из эпоксидной смолы. Кроме того, ученые объяснили происходящие процессы в рамках качественной модели, предсказания которой хорошо согласуются с данными наблюдений. Теоретически работа ученых позволит более эффективно собирать росу в регионах с дефицитом питьевой воды. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
По данным ООН, в настоящее время около 40 процентов населения Земли страдает от дефицита воды. Поэтому ученые активно исследуют альтернативные источники, которые могут компенсировать этот дефицит. В частности, в засушливых регионах один из самых эффективных источников — это роса, которая образуется за счет конденсации воды на охлажденной поверхности. Во-первых, воду, полученную за счет конденсации, практически не нужно дополнительно очищать. Во-вторых, собрать росу можно сравнительно просто и дешево. В-третьих, при правильной конструкции сборщика и благоприятных условиях с каждого квадратного метра поверхности можно получить около 700 миллилитров воды за одну ночь.
К сожалению, превысить это значение с помощью стандартных методов практически невозможно. Дело в том, что максимальный выход определяется не только скоростью конденсации, но и эффективностью сбора выпавшей росы. С одной стороны, быстрее всего капли конденсируются на горизонтальной поверхности. С другой стороны, из-за поверхностного натяжения капли начинают скатываться в водосборник только после того, как их диаметр превысит определенное критическое значение, которое тем больше, чем меньше угол наклона поверхности. Поэтому выгодно наклонять поверхность на большой угол, чтобы собрать росу до того, как она испарится. Компромисс между этими двумя процессами, то есть максимальный выход жидкости, достигается для поверхности, которая отклоняется от плоскости примерно на 30 градусов. Еще больше увеличить выход можно только уменьшив критический диаметр капель.
Группа физиков под руководством Пьера-Брайса Бинтейна (Pierre-Brice Bintein) добилась такого эффекта с помощью микрометровых прямоугольных канавок, напыленных на конденсирующую поверхность. В качестве подложки ученые выбрали квадратную кремниевую пластинку длиной десять сантиметров и толщиной 0,7 миллиметра, а в качестве материала границ канавок — эпоксидную смолу SU-8. Характерная глубина канавок и ширина разделяющих их «горок» составляла 100 микрометров, высота «горок» — 40 микрометров. Чтобы на поверхности пластинки конденсировались капли, исследователи охлаждали ее с помощью элемента Пельте до четырех градусов Цельсия. Чтобы подтвердить, что ускорение конденсации связано с формой, а не с составом поверхности, ученые сравнивали пластинку с канавками с контрольными образцами — либо просто гладкими поверхностями из кремния, либо полностью покрытыми эпоксидной смолой. Наконец, чтобы измерить скорость конденсации воды, физики поворачивали поверхности в горизонтальное положение и взвешивали их.
В результате ученые обнаружили, что поверхность с канавками гораздо быстрее начинает собирать воду, чем гладкие поверхности. При температуре 33 градуса Цельсия, угле наклона 30 градусов и влажности воздуха 50 процентов на поверхности с канавками капли появлялись уже через 15 минут после начала эксперимента, а через час они уже скатывались вниз. При сравнимых условиях капли на плоских поверхностях начинали скатываться примерно на час позже. Кроме того, поверхность с канавками более эффективно «вытягивала» воду из воздуха: суммарная площадь капель, которые конденсировались на поверхности, росла пропорциональная Σ∝t3,5 (t — время, прошедшее после начала конденсации), тогда как на плоских поверхностях этот параметр рос квадратично: Σ∝t2.
Чтобы объяснить наблюдаемые эффекты, ученые предложили качественную модель конденсации воды на поверхности с канавками. В основном, ускорение конденсации физики связывают с тем, что в канавках образуются протяженные «водяные нити» — благодаря этому эффекту площадь, с которой каждая капля собирает жидкость, увеличивается по сравнению с гладкой поверхностью. Это позволяет каплям быстрее набирать объем, чаще сталкиваться друг с другом и, в конечном счете, превышать критический диаметр, который для поверхностей с канавками и без отличается незначительно. Увидеть эти нити с помощью обычной фотографии очень сложно, потому что они слишком тонкие. Тем не менее, добавляя в воду флуоресцентную краску и просвечивая поверхность ультрафиолетом, исследователям удалось подтвердить это предположение.
С помощью построенной модели физики рассчитали критическую глубину канавок, при которой скорость конденсации резко возрастает по сравнению с гладкой поверхностью. Оказалось, что «водяные нити» образуются только в канавках, глубина которых больше, чем треть ширины (при угле наклона плоскости 30 градусов). В противном случае канавкам невыгодно впитывать жидкость, и поверхность становится эффективно гладкой. Кроме того, в рамках той же модели ученые нашли, через какой промежуток времени капли начинают скатываться по поверхности. Как и ожидалось, результаты вычислений совпали с данными эксперимента (в пределах погрешностей, которые были довольно высоки): чем у́же горка, разделяющая канавку, тем быстрее поверхность начинает собирать воду.
В марте прошлого года мы уже писали про похожую работу: тогда группа физиков под руководством Вонга Так-Синга (Tak-Sing Wong) разработала поверхность, которая позволяет эффективно конденсировать воду и эффективно отводить образовавшиеся капли. Для этого ученые также наносили на поверхность кремниевой подложки параллельные прямоугольные канавки, однако, в отличие от группы Бинтейна, исследователи смазывали поверхность канавок гидрофильным покрытием. Кроме того, физики исследовали работу системы с двойной текстурой, в которой на поверхности крупных каналов нанесены более мелкие бороздки. Оказалось, что такая модификация еще сильнее повышает скорость конденсации и перемещения капель. Тем не менее, в новой статье физики на работу группы Вонга по какой-то причине не ссылаются.
Дмитрий Трунин
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».
