Льдинка самостоятельно притянулась к капле воды
Американские физики объяснили притягивание льдинки к воде — все дело оказалось в переносе заряда из-за температурного градиента в льдинке. За несколько миллисекунд отрицательно заряженная льдинка преодолевала расстояние в 5 миллиметров с максимальной скоростью в 0,9 метра в секунду. Результаты исследования, опубликованные в журнале American Chemical Society Nano, помогут описать образование молний и развить электростатическое удаление льда.
Если поднести заряженный предмет (например, расческу после причесывания) к струе воды, то она отклонится. Так проявляется дипольная природа молекул воды, которые стремятся выстроиться вдоль электрического поля. Даже если столкнуть или потереть льдинки друг с другом — из-за контактной разности потенциалов на каждой из них появится заряд. Продувание обледеневших поверхностей потоком воздуха или приложение внешнего электрического поля позволило наблюдать заряженные льдинки микрометрового размера.
Ранит Мукхержи (Ranit Mukherjee) с коллегами из Политехнического университета Вирджинии обнаружил, что из-за электростатики могут отрываться и льдинки большего размера и в отсутствии потока воздуха или внешнего электрического поля. Для этого исследователи подносили к обледеневшей поверхности каплю или пленку воды. Процесс скачка льдинок ученые запечатлели с помощью высокоскоростной съемки.
Для эксперимента авторы охлаждали гидрофобную кремниевую подложку до −10 градусов по Цельсию с помощью элемента Пельтье, при этом температура окружающего воздуха была 25 градусов, а относительная влажность — 40 процентов. Чтобы выдерживать пленку воды над поверхностью, ученые использовали фильтровальную бумагу, расположенную на расстоянии в один, два с половиной и пять миллиметров от подложки.
Для начала наблюдения ученые дожидались, пока на подложке не вырастет слой льда в 120-800 микрометров, после чего 100 микролитров воды помещали на фильтровальную бумагу. Приблизительно через десять секунд частицы начинали открепляться от подложки или других льдинок и улетать в сторону воды с начальным ускорением, в десять раз превышающим гравитационное, и за миллисекунды льдинка достигала водной пленки.
Чтобы понять, как на этот процесс влияет подложка, исследователи провели эксперимент с гидрофильным стеклом и супергидрофильной поверхностью гидроксида алюминия. Вне зависимости от смачиваемости, тепло- и электропроводности процесс наблюдался во всех случаях.
Затем ученые рассмотрели динамику прыжка льдинки. Максимально зафиксированная скорость льдинки — 0,9 метров в секунду. Приняв для силы сопротивления частицу в качестве сферической, исследователи рассчитали притягивающую силу — она составила 10-10 — 10-9 ньютон. Авторы предположили, что эта сила — электростатическая по своей природе. Чтобы это подтвердить, они меняли жидкость на фильтровальной бумаге. Для полярных воды, ацетона и этиленгликоля эффект в полной мере наблюдался, а для неполярных углеводородов декана и гексадекана не наблюдался, как и при отсутствии жидкости.
В льдинке с температурным градиентом в теплом конце больше ионных дефектов, в воде основные ионы — гидроксил OH- и гидроксоний H3O+. Коэффициент диффузии гидроксония в 3,3 раза больше, а потому эти ионы быстрее распространятся в холодный конец, оставляя теплый конец отрицательно заряженным. Если же поддерживать температуру одинаковой, то никаких скачков льдинок наблюдаться не будет. С помощью модели Латама и Мэйсона авторам удалось оценить плотность поверхностного заряда: −100 нанокулон на квадратный метр. Также ученые провели численное моделирование переноса заряда внутри льдинок. Через 0,1 секунды после приложения градиента температур плотность заряда выходила на насыщение близкое к рассчитанному.
Для уточнения механизма отрыва льдинок от поверхности ученые рассмотрели два варианта: разрыв точечного контакта (менее одного микрометра) и разворот с разрывом контакта по площади (более десяти микрометров). Из условия Гриффитса для инициации разрыва исследователи нашли начальный размер разрыва — 0,1 нанометра. Для субмикрометровых частиц время разрыва составило 100 микросекунд — что совпадает с минимальным время-разрешением камеры — а потому разрыв выглядит мгновенным. В случае же крупных частиц требуются уже миллисекунды, что и удалось заснять в виде разворотов и кручения льдинок.
Таким образом, авторы объяснили, почему льдинки притягиваются к воде, что поможет разработать электростатический способ противодействия образованию наледи. Однако вместо воды советуют использовать электроды высокого напряжения для удаления льда с размерами больше микронных.
Изучение льда и его свойств тесно связано с окружающим бытом. Не так давно физики объяснили, почему при приближении к температуре плавления лед становится менее скользким. Оказалось, все дело в резкой потере твердости льда, из-за чего скользящий предмет бороздил его и нарушал целостность, застревая в глубоких трещинах.
Артем Моськин
В будущем это позволит проводить масштабные квантовые симуляции
Немецкие физики продемонстрировали технологию создания трехмерных оптических решеток на основе эффекта Тальбота. Он заключается в формировании волнового паттерна — «ковра» — сразу за дифракционной решеткой, в котором изображение щелей периодически повторяется. Таким способом ученым удалось загрузить более десяти тысяч атомов в бездефектную трехмерную решетку и продемонстрировать в ней адресную работу с атомами. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Пленение атомов светом сделало возможным прорывы в самых различных областях физики: от ультрахолодной химии и физики квантовых газов до квантовых вычислений и атомных часов. Подробнее о том, как работает эта технология в оптических пинцетах, мы рассказывали в материале «Скальпель и пинцет». Ряд задач требует пленения сразу большого числа атомов. Наиболее частым способом сделать это стали двумерные оптические решетки. Их формируют либо на пересечении стоячих волн, ориентированных под углом друг к другу, либо создавая систему оптических пинцетов из одного луча с помощью акустооптических модуляторов или металинз. Выход в третье измерение станет главным путем масштабирования технологий на основе пленения множества атомов. Физики умеют создавать трехмерные решетки с помощью скрещивания трех пар лазерных лучей. Ранее это позволило увеличить точность атомных часов. Но пока это технология довольно сложная и допускает малую вариативность параметров решетки. Мальте Шлоссер и его коллеги из Дармштадтского технического университета предложили новый подход к созданию трехмерных оптических решеток. Он основан на явлении, которое носит название эффект или «ковер» Тальбота. Он возникает непосредственно за дифракционной решеткой (то есть, в ближнем поле) после того, как на нее падает плоская волна, и представляет собой сложный фрактальный паттерн из областей повышенной и пониженной интенсивности. Важно при этом, что изображение щелей повторяется на расстояниях, равных полуцелому числу длины Тальбота. В какой-то момент, определяемый шириной дифракционной решетки, «ковер» заканчивается, и лучи расходятся в дальнее поле согласно теории Фраунгофера. Идея авторов заключается в том, чтобы загружать атомы в эти дополнительные слои с массивами световых пятен. При реализации этой идеи физики заменили дифракционную решетку двумерным массивом микролинз размером 166×166 штук и периодом 30 микрометров и облучали его светом титан-сапфирового лазера с длиной волны 796,3 нанометра. После прохождения массива микролинз свет попадал в обычную оптику, с помощью которой авторы настраивали параметры «ковра». В их опыте период решетки был равен 10 микрометрам, а расстояние между слоями — 133 микрометрам. Затем ученые загружали в получившуюся решетку охлажденные атомы рубидия-85. Атомы захватывались в узлы с вероятностью 60 процентов, поэтому физикам потребовался дополнительный пинцет, чтобы расставить атомы в бездефектные массивы в каждом слое. В результате им удалось получить 17 таких слоев по 777 атомов в каждом. Физики исследовали возможность масштабирования получившихся решеток. Они выяснили, что общее число атомов, которое можно будет пленить таким способом, может быть доведено до ста тысяч, если увеличить мощность лазера всего в пять раз. Помимо этого авторы продемонстрировали возможности адресации атомов, выстроив их в антиферромагнитный порядок по спину, а также решетки с более сложной геометрией. Предложенная физиками технология в перспективе способна масштабировать квантовые компьютеры и квантовые симуляторы на основе ридберговских атомов. Для этого им нужно будет придумать, как сократить расстояние между слоями, сделав его сопоставимым с периодом внутри слоя. Квантовыми симуляциями на плененных ридберговских атомах занимается группа Лукина, которая изготовила 256-кубитный квантовый симулятор. Подробнее об их работе мы рассказывали в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».