В падающей на переохлажденную поверхность капле увидели волны замерзания
Ученые впервые напрямую запечатлели динамику замерзания капли жидкости при соударении с намного более холодной поверхностью. Оказалось, что в таком случае может наблюдаться не привычный рост кристаллов, а расширяющиеся концентрические ледяные фронты. Результаты могут пригодиться в ряде областей, в том числе в 3D-печати и при разработке методов защиты самолетов от обледенения, пишут авторы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Во многих ситуациях на протекание физических явлений оказывает влияние сразу несколько процессов. В таких случаях возможно возникновение феноменов, которые не наблюдаются при изучении более простых задач. Например, равновесная термодинамика используется для исследования процессов, допускающих квазистатическое описание, то есть представимых в виде непрерывного ряда плавно перетекающих друг в друга состояний термодинамического равновесия. Некоторые реальные процессы достаточно слабо отклоняются от этой идеальной схемы, поэтому их анализ классической термодинамикой хорошо согласуется с измерениями, однако в других случаях отклонения приводят к расхождению простейшей теории с экспериментом.
К подобным ситуациям относится и замерзание жидкостей. Простейший случай — это постепенное образование кристаллов льда внутри покоящейся капли. Однако если задачу усложнить, например, добавив ветер или большой градиент температур, то как динамика процесса, так и конечное состояние могут значительно измениться.
Физики из Нидерландов и Германии под руководством Детлефа Лосе (Detlef Lohse) из Университета Твенте изучили замерзание капли гексадекана (температура плавления +18 градусов Цельсия) в сильно неравновесном случае падения на переохлажденную поверхность. Оказалось, что при температуре поверхности на 11 и более градусов ниже точки плавления внутри капли начинают последовательно двигаться несколько волн фазового перехода. Авторам удалось описать это явление при помощи комбинации теории образования зародышей кристаллизации и гидродинамики всей капли, которые редко рассматриваются одновременно.
Мотивацией к проведению подобного исследования стало широкое распространение подобного режима кристаллизации в природе и технике: падающий на холодную поверхность дождь, застывание краски струйного принтера, некоторые виды 3D-печати, а также фотолитография в глубоком ультрафиолете, в которой применяются капли расплавленного олова. Многие работы рассматривали механику деформаций и растекания капли в таком режиме, но влияние на фазовые переходы исследовано недостаточно подробно.
Для фиксации процесса авторы воспользовались эффектом полного внутреннего отражения, который заключается в высоком коэффициенте отражения от границы раздела со средой с меньшим коэффициентом преломления при угле падения луча близком к прямому. В данном случае применялся красный лазер, а обработка отраженного сигнала позволяла выяснить с высоким временным и пространственным разрешением динамику в капле на толщине эванесцентной волны (порядка 100 нанометров).
Физики выяснили, что результаты зависят от степени переохлажденности сапфировой поверхности. Если ее температура не очень низка, то пузырек воздуха, прижатый каплей к поверхности, спустя небольшое время поднимается в жидкости. Если же разность температур достаточна, то пузырек остается в контакте с поверхностью и играет роль дефекта, который усиливает радиальные движения возникающих в капле центров кристаллизации, которые перемещаются в виде несколько последовательных волн.
Ранее физики разобрались в замерзании мыльных пузырей, объяснили взрыв замерзающих капель, а также предположили причину сохранения веществ в жидкой форме на Плутоне — за это может быть ответственнен газированный лед.
Тимур Кешелава
Это показали эксперименты с газированными напитками
Американские и французские физики разобрались в причинах, по которым всплывающие в газированном напитке пузыри выстраиваются или не выстраиваются в ровные цепочки. Для этого они проводили эксперименты с дегазированными напитками (газировкой, пивом, игристым вином и шампанским) и модельными жидкостями. В результате ученые выяснили, что на этот эффект влияет размер пузырей и характеристики и количество поверхностно-активных веществ в напитке. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids. Всплытие пузырей в жидкости — это неотъемлемая часть множества процессов в природе и технологиях, начиная от просачивания газов из-под океанского дна и заканчивая очисткой сточных вод с помощью насыщения ее кислородом в аэротенках. Важную роль пузыри играют и в производстве газированных напитков: мы уже рассказывали об их роли в восприятии вкуса пива и шампанского. В случае с шампанским всплытие пузырьков играет еще и важную эстетическую роль: они поднимаются в виде почти вертикальных цепочек с постоянным интервалом. Вместе с тем, такое поведение встречается не во всех напитках. Теоретики лишь недавно смогли объяснить причину противоположного поведения: всплытия по зигзагообразным или спиральным траекториям. Причины же возникновения ровных цепочек физикам пока до конца не ясны, равно как и условия, при которых разные режимы всплытия сменяют друг друга. Ответить на эти вопросы взялась команда американских и французских физиков под руководством Роберто Зенита (Roberto Zenit) из Университета Брауна. Им удалось экспериментально и теоретически выяснить, что на формирование стабильных пузырьковых цепочек оказывает влияние два фактора: их размер и наличие в жидкости поверхностно-активных веществ (ПАВ). В случае с напитками последний фактор оказывается решающим — он определяет разницу во всплытии пузырьков между газированной водой и шампанским. Физики проводили опыты в плексигласовом прямоугольном бассейне размером 50 × 50 × 400 миллиметров. На дно бассейна ученые устанавливали иглы различного диаметра закругления, через которые подавали воздух и получали пузырьки разного размера. Контроль подачи воздуха, в свою очередь, регулировал частоту их образования и, как следствие, межпузырьковое расстояние. Исследователи наполняли установку жидкостями, предварительно дегазированными в условиях вакуума: газированной водой, светлым пивом, игристым вином и шампанским. Кроме того, в качестве модельной жидкости они использовали смеси дистиллированной воды и глицерина в различных пропорциях. Эксперименты сопровождались численным моделированием с помощью уравнений Навье — Стокса. Главный результат, полученный физиками, заключается в том, что стабильность цепочки устанавливается при размерах пузырей или количестве ПАВ, выраженного через число Ленгмюра, выше некоторых порогов, а до того они расходятся в пределах конуса. Симуляции показали, что пузырьки нужных размеров могут двигаться прямолинейно только в том случае, если на их поверхности создается достаточная завихренность — тогда подъемная сила, действующая на нижний пузырь под влиянием верхнего, меняет знак и вталкивает его следом. На это, в свою очередь, влияет химический состав напитков: если в пиве ПАВ — это тяжелые белки, то в шампанском эту роль играют более легкие жирные кислоты. Полученные результаты, помимо применения в производстве алкоголя, можно использовать для оценки уровня загрязнения ПАВ практически в любой жидкости. Группу Зенита давно интересуют пузырьки в алкоголе. Ранее мы рассказывали, как физики научно обосновали традиционный способ определения концентрации этанола при перегонке мескаля по времени жизни пузырьков.