Краплі ацетону на мембрані посували без зовнішнього впливу

Американські фізики побачили коливання ацетонових крапель на тонкій підкладці без будь-якого зовнішнього впливу. Причиною рухів виявилося поєднання викривлення і релаксації підкладки за рахунок вбирання і випаровування рідини на її поверхні. Вчені теоретично і експериментально описали закономірності руху в такій системі і припустили, що виявлені ефекти можна буде застосувати в розробці маломасштабних двигунів. Стаття опублікована в журналі.

Якщо помістити краплю рідини на тверду плоску поверхню, то вона або розпластається за твердим тілом, або прийме форму, близьку до шароподібної, - залежно від змочуваності поверхні. Змочуваність, у свою чергу, залежить від того, як співвідносяться сили тяжіння частинок рідини між собою і з частинками більш щільної речовини. У разі, якщо структура поверхні або зовнішні сили не створюють градієнт потенціалу краплі, то на цьому її рух зазвичай зупиняється.

Однак Адіті Чакрабаті (Aditi Chakrabarti) з Гарвардського університету разом з колегами змусив краплю з ацетону коливатися на підкладці з полідіметилсілоксану без будь-якого зовнішнього впливу на систему. Коливання виникли через те, що в присутності ацетону поверхня набухала і викривлялося, що змушувало краплю стікати з горки в бік сухої поверхні. Однак висока випаровуваність ацетону призводила до того, що викривлена поверхня при контакті з повітрям швидко релаксувалася, в той час як під краплею виникала нова гірка і знову приводила її в рух.

На періодичність такого процесу повинні сильно впливати швидкість деформації поверхні в процесі вбирання ацетону і швидкість його випаровування. Для чисельної оцінки взаємозв'язку цих факторів та інших процесів фізики вирішили використовувати число Пекле - безрозмірний параметр співвідношення між конвективними і молекулярними процесами перенесення тепла в рідини. Регулюючи хімічний склад краплі, вчені визначили, що для виникнення коливань число Пєкле має бути близько до 10.

Далі фізики перейшли до більш докладного опису рухів краплі у випадку, коли рідина коливається вздовж одного напрямку. За таких умов вченим вдалося створити спрощену динамічну модель системи, в якій вони пов'язали режим осциляцій з характерним часом викривлення поверхні, швидкістю руху краплі під дією гравітації і швидкістю випаровування рідини. У результаті автори теоретично розмежували плавні коливання рідини і рух краплі ривками.

Нарешті, дослідники поспостерігали за поведінкою рідини на необмеженій плоскій мембрані - при русі в двох напрямках. У таких умовах краплі ацетону починали обертатися навколо своєї осі, причому по їх краях виникали характерні випуклості, схожі на промені морської зірки. Фізики простежили зв'язок між товщиною мембрани, об'ємом краплі, швидкістю її обертання і числом її «відростків»: виявилося, що чим менше останніх, тим швидше вони пересуваються по поверхні.

Те, що параметри коливання краплі можна регулювати, в майбутньому дозволить використовувати це явище на практиці. Наприклад, автори вважають, що рух крапель ацетону можна буде застосувати в розробці маломасштабних двигунів, а також для пояснення принципів руху в низці біологічних систем.

Раніше фізики вже змусили краплі мимоволі підніматися по сходинках різної смочуваності, прискорили краплі на поверхні масла за допомогою вібрацій і навіть навчилися стріляти рідиною з супергідрофобної поверхні.