Физики научились управлять следами от капель

Ученые обнаружили два режима растекания и испарения капли, состоящей из двух жидкостей. В некоторых ситуациях смесь образует вытянутые отростки перед объединением в тонкую пленку, а в других — распадается на отдельные круглые капельки. Результаты позволяют контролировать характер формирующегося остатка, что может пригодиться для нанесения тонких слоев взвешенных частиц или растворимых макромолекул, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.

При попадании жидкости на поверхность она одновременно растекается и испаряется. Подобные процессы окружают нас повсеместно, начиная от капель дождя и до высыхающего напитка в чашке. Физики уже достаточно подробно изучили поведение чистых жидкостей, а также содержащих коллоидную взвесь твердых частиц. В частности, в последнем варианте может возникать хорошо известный эффект «кофейных колец» — резкое увеличение концентрации выпавших в осадок частиц по краям испарившейся лужи.

Значительно хуже изучен случай смешения двух жидкостей, одна из которых испаряется существенно быстрее другой. Известно, что в таком случае может наблюдаться эффект Марангони, то есть движение жидкости вдоль градиента силы поверхностного натяжения. Это явление ответственно за «слезы вина» — самопроизвольные движения жидкости вверх по стенке бокала, возникающие из-за быстрого испарения спирта из смеси.

Американские физики из Университета Эмори под руководством Джастина Бертона (Justin Burton) изучили механические неустойчивости, возникающие на краю состоящей из двух жидкостей капли. Оказалось, что смесь может формировать либо продолговатые отростки, либо фрагментироваться на круглые капли, что зависит от соотношения сил Марангони и смачивания поверхности. При этом в экспериментах с чистыми веществами ничего подобного не наблюдалось.

Так как испарение происходит только с поверхности, то в случае смеси двух жидкостей их состав будет сильнее всего меняться там, где она представлена наиболее тонким слоем. В случае падения капли на поверхность такие условия возникают на расширяющейся кромке капли. Если одна жидкость испаряется намного быстрее другой, то по мере растекания около внешней границы останется фактически только одно вещество.

Возникшая пленка затем фрагментируется на отдельные капли, чей размер зависит от концентрации. На следующем этапе если силы Марангони велики (это определяется отношением коэффициентов поверхностного натяжения жидкостей исходной смеси), а поверхность хорошо смачиваема, то образуются продолговатые отростки и очень тонкая пленка. Если же эти силы малы, то жидкость распадается на отдельные капли, напоминающие по форме луковицы, которые выстраиваются в подобие квазикристаллической решетки.

В экспериментах физики использовали капли объемом один микролитр, состоящие из летучего изопропилового спирта в смеси с различными концентрациями медленно испаряющихся веществ, таких как этиленгликоль или додекан. Авторы изучали падение капель на ровные поверхности из оксида кремния, которые снизу подсвечивались монохроматическим светом, что позволяло определять толщину слоев на основе возникающей интерференционной картины.

Основное отличие режимов оказалось в финальном состоянии. В случае возникновения отростков оставалась очень тонкая пленка, толщина которой слабо менялась вдоль радиуса. При формировании капель, по прошествии времени они обычно также сливались в единую пленку, но ее толщина была значительно неоднородна. При этом авторы отмечают, что исход зависит только от величины сил Марангони и смачиваемости поверхности, а доли веществ в смеси и суммарная вязкость на это не влияют. По словам авторов, возможность контролировать условия возникновения тонких пленок заданной толщины может пригодиться для выполнения многих экспериментов.

Ранее ученые выяснили, что постукивание по банке пива не защищает от вспенивания, объяснили механизм распада капли на брызги и получили квадратные капли. Чарующую визуальную красоту физики жидкостей мы показывали в материале «Гипнотизм гидродинамики».

Тимур Кешелава