Физики научили капельные кристаллы самосбору

Американские физики показали, что неустойчивость Рэлея — Плато, ответственную за разбиение струй на капли, можно использовать для самосборки капель в двумерные кристаллы высокой степени упорядоченности. Для этого необходимо, чтобы капли построчно образовывались при движении сопла горизонтально в среде из другой жидкости. В такой схеме предыдущий слой капель служит шаблоном для следующего. Эту технологию можно использовать для изготовления периодических шаблонов из жидкостей, к которым невозможно применить традиционные методы печати. Исследование опубликовано в Science Advances.

На первый взгляд такой простой физический объект как слабо текущая струйка воды из крана, скрывает в себе много интересной и сложной физики. Какими бы ни были параметры струи, по мере своего падения вниз они неизбежно начнет самопроизвольно разбиваться на отдельные капли. Этот процесс обусловлен возникновением ряби на поверхности воды, состоящей из множества отдельных волн различной частоты. Часть их этих волн естественным образом затухают, другие же, наоборот, усиливаются до такой степени, что разрушают струю, после чего силы поверхностного натяжения формируют капли. Это явление называется нестабильностью или неустойчивостью Рэлея — Плато.

Разбиение струи на капли играет важную роль во множестве приложений, от печати и подачи топлива и до клеточной биологии. Варьируя свойства жидкости, ученые умеют менять размер капель в диапазоне от нескольких десятков нанометров до нескольких миллиметров, а также менять характер образования капель, делая его строго периодичным или вообще подавляя, с помощью внешних воздействий. В своей массе исследования неустойчивости Рэлея — Плато концентрируются вокруг разбиения падающей вниз осесимметричной струи, но физикам мало что известно про характер этого явления в более неоднородных условиях, например, при столкновении с другим потоком.

Подробнее исследовать такую ситуацию решила группа физиков из Принстонского университета при участии Линчжи Цай (Lingzhi Cai). Они наблюдали за образованием капель глицерина, которые оставляло после себя подвижное сопло, распространяющееся в силиконовом масле. Оказалось, что характер образования капель при построчном движении сопла наследуется от слоя к слою. Пользуясь этим эффектом физики разработали метод печати высокоупорядоченных капельных кристаллов.

При движении сопла в бок капли выходят из него по случайному закону, однако в среднем расстояние между соседними каплями масштабируется с радиусом струи, который, в свою очередь, зависит количества выходящей из сопла жидкости в единицу времени и его скорости. Авторы решили проверить, как на этот процесс влияет близость некоторого периодического твердого шаблона. Эксперименты с экстракцией капель вблизи зигзагообразной стенки показали, что шаблон тем сильнее стабилизирует выход капель, чем ближе к нему это происходит. 

Более того, физики увидели, что капли выстраиваются согласно шаблону, даже если его период отличается от естественного среднего периода капель в диапазоне от 0,7 до 1,4 долей. При меньшем периоде шаблона капли располагаются сильно нерегулярно. При большем же — период капель становится равным половине периода шаблона.

Следующим шагом физики заставили сами капли служить таким шаблоном для своих соседей. Для этого они построчно впечатывали глицериновые капли в силиконовое масло (эти жидкости не смешиваются). Если первый ряд капель располагался скорее хаотично, то последующие ряды становились все периодичнее и периодичнее, образуя капельный кристалл почти правильной формы. Решетка оказалась устойчивой даже к специально внесенным дефектам, со временем исправляя их.

Ученые также показали, что, меняя скорость впрыска, скорость сопла и направление печати, можно управлять формой элементарной ячейки таких кристаллов. Кроме того, метод поддерживает печать двумя сортами капель, что исследователи также продемонстрировали. По словам авторов, развитый ими подход будет особенно полезен при изготовлении периодических структур из жидкостей и полимерных расплавов, которые не могут быть обработаны системами микрофлюидики и струйными принтерами.

Ранее физики доказали, что на движение капель по наклонным гидрофобным поверхностям может существенно влиять неучтенное ранее электростатическое взаимодействие между зарядами в капле и подложке.

Марат Хамадеев