Капля масла деформировала замерзающую воду не в ту сторону

Физики пронаблюдали, как замерзает вода с каплями силиконового масла, и обнаружили, что при большой скорости фронта замерзания (около 1,6 микрометра в секунду) капля масла деформирует лед, как бы вдавливаясь в него вместо того, чтобы быть вытолкнутой наружу. Такое, на первый взгляд, парадоксальное взаимодействие постороннего включения и твердеющей жидкости ученые объяснили тепловым эффектом Марангони. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Когда вода, содержащая примеси и включения (например, пузырьки воздуха или песок), замерзает, то обычно посторонние частицы либо становятся частью льда, либо вытесняются наружу фронтом замерзания. Условия, от которых зависит поглощение или выталкивание примеси, зависят от взаимодействия между самой частицей и движущейся волной затвердевания. На молекулярном уровне это взаимодействие контролируется силами Ван-дер-Ваальса и течением жидкости в тонкой пленке вокруг частицы. В то же время на макроуровне главную роль играет теплообмен между включением и окружающим веществом, при этом сама дисперсная частица испытывает деформацию из-за различия между теплопроводностью постороннего объекта и жидкости вокруг. Изучая подобную физическую модель, ученые выяснили еще один примечательный факт — для твердого включения деформация не зависит от того, как быстро приближается фронт замерзания, а деформация образующегося льда направлена в сторону частицы.

Паллав Кант (Pallav Kant) из Манчестерского университета совместно с коллегами из Великобритании, Германии и Нидерландов обнаружил парадоксальное поведение капли масла, помещенного в замерзающую воду: вместо того, чтобы быть вытесненной или поглощенной жидкостью, она деформировала твердеющую жидкость.

Для проведения эксперимента ученые использовали две прозрачные пластины, расположенные параллельно друг другу на расстоянии 200 микрометров, пространство между которыми заполнили эмульсией силиконового масла в воде, сформировав таким образом в установке течения Хеле-Шоу. Чтобы стабилизировать смесь и избежать непредвиденных смешиваний масла с водой, экспериментаторы добавили поверхностно-активное вещество, доля которого составила одну сотую процента от объема итоговой смеси. Температурный градиент ученые создали с помощью перемещения ячейки с водой и маслом через холодильную установку, в которой постепенное изменение температуры обеспечили несколькими элементами Пельтье.

Выяснилось, что при низкой скорости движения (около 0,4 микрометра в секунду) ячейки Хеле-Шоу через холодильную установку (и соответственно, медленном образовании фронта замерзания) первоначально плоская граница затвердевания деформировалась в сторону капли, как бы притягиваясь к ней, что полностью совпало с теоретическими предсказаниями: теплопроводность капли силиконового масла ниже, чем у воды, поэтому тепловой поток выбрал путь наименьшего термического сопротивления, избегая самой примеси и отклоняя изотермы, которые легко находятся из уравнения теплопроводности для малых чисел Пекле.

При скорости фронта замерзания в 0,9 микрометра в секунду последний оставался плоским по мере приближения к капле, а при скорости в 1,6 микрометра в секунду капля вдавилась в образовавшийся твердый лед. Такой неожиданный результат физики объяснили следующим образом: при быстром уменьшении температуры коэффициент поверхностного натяжения силиконового масла изменяется очень резко, поэтому передняя часть капли испытывает большую силу поверхностного натяжения, что в свою очередь вызывает межфазное течение, которое увлекает жидкость от более теплых областей к холодным — так называемый тепловой поток Марангони.

Авторы работы отметили, что полученные результаты должны стать полезными в материаловедении для контроля процессов, определяющих отторжение или захват частиц при затвердевании многофазной среды.

Взаимодействие водяного льда и посторонних частиц не первый раз стало объектом исследования. О том, как внешние примеси уменьшили адгезию льда на поверхностях, мы писали ранее.