Британські фізики показали, що циркуляцію рідини всередині бінарних крапель, що складаються з речовин з різною летючістю, не можна пояснити, використовуючи традиційні безрозмірні числа - замість цього потрібно використовувати більш складні міркування, що враховують вплив гравітації та випаровування рідин. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
Останнім часом фізики активно вивчають поведінку крапель, прикріплених до твердих підкладок - вважається, що ці знання допоможуть поліпшити струменеві принтери, виготовити чутливі біосенсори і розробити методи нанесення тонкоплівкових покриттів. Проте більшість досліджень, присвячених фізиці крапель, фокусуються на однорідних краплях, які складаються з рідини однієї природи. Однак на практиці краплі часто складаються з декількох компонентів, які мають різну летючість, тобто різну швидкість випаровування. Через нерівномірне випаровування хімічний склад краплі постійно змінюється і в ній виникають градієнти сил поверхневого натягнення і щільності, які перемішують рідини. Інтенсивність цих потоків визначається числами Марангоні (поверхневе натягнення) і Релея (неоднорідності).
Як правило, дослідники нехтують потоками, які пов'язані з перепадами щільності краплі: на малих масштабах число Релея, пропорційне третьому ступеня розміру краплі, на кілька порядків менше числа Марангоні, пропорційного тільки першого ступеня. Тим не менш, кілька років тому американський фізик Рональд Ларсон (Ronald Larson) зауважив, що при розрахунку числа Марангоні вчені приблизно в 30 разів завищують швидкість відповідних потоків рідини. Надалі цей факт був підтверджений за допомогою чисельного моделювання і прямих експериментів. Це означає, що роль гравітаційного перемішування рідини в краплі, пов'язаного з перепадами тиску, може бути недооцінена.
Насправді, група вчених під керівництвом Фуціа Уалі (Fouzia Ouali) підтвердила, що основний внесок у циркуляцію рідини робить ефект Релея (пов'язаний з перепадами щільності), а не Марангоні (що виникає через різницю поверхневих натяжень). Для цього фізики вивчили суміші етилового спирту і води, а також - бутанолу і води (з концентрацією більш летючої речовини від 2 до 20 відсотків), зібрані в краплі діаметром близько одного міліметра. Щоб зняти потоки рідини, вчені розчиняли в краплі полістиролові кульки діаметром близько двох мікрометрів (сумарно 0,01 відсотка від маси краплі) і просвічували її лазером - дослідники використовували метод оптичної когерентної томографії (optical coherence tomography, OCT), який дозволяє знімати тривимірне зображення краплі з просторовою роздільною роздільною здатністю 13 13 5,5 50
У результаті фізики з'ясували, що у водно-етиловій краплі, що лежить на підкладці, виникають тороїдальні осесиметричні вихори, спрямовані вгору біля центру краплі і вниз біля її поверхні. У водно-бутаноловій краплині вихори мали таку ж форму, проте «крутилися» в протилежний бік. Потім вчені перевернули підкладку на 180 градусів, підвісивши краплі в повітрі. Виявилося, що орієнтація вихорів у просторі не змінилася, хоча стосовно краплі і підкладки вони розвернулися в протилежний бік. Це означає, що вихори виникають під дією гравітації, напрямок якої не змінювався в ході експерименту. Якби цим ефектом можна було знехтувати, вихори б повернулися разом з краплею.
Крім того, вчені перевірили, як змінюється напрямок потоків рідини при довільній орієнтації краплі. Як і очікувалося, осьова симетрія вихорів руйнувалася при відхиленні краплі від строго вертикального або горизонтального напрямку - при невеликих кутах ці відхилення невеликі, проте для кутів більше 60 градусів симетрія повністю зникає. При повороті краплі «верхівкою вліво» в ній домінують вихори з лівої половини, при повороті «верхівкою вправо» - вихору з правої половини (більш докладно динаміку відображає малюнок). Вчені зазначають, що цю поведінку також не можна пояснити, обмежуючись перепадами поверхневого натягнення.
У той же час, за оцінками вчених, для водно-етилових крапель число Марангоні ауд 107, а число Релея ауд 6 105, якщо припустити, що у підкладки краплі знаходиться чиста вода, а на верхівці - чистий етиловий спирт. Тому, здавалося б, ефект Марангоні повинен домінувати над ефектом Релея. Тим не менш, це наближення справедливе тільки в тому випадку, якщо крапля лежить на підкладці. У цьому випадку напрямок вихорів дійсно збігається з теоретичними передбаченнями. Однак у підвішеній краплі, у якій лінія контакту з поверхнею знаходиться вище її верхівки, пари етилового спирту спливають і піднімаються до лінії контакту, а вихори повертаються у зворотний бік. Для водно-бутанолової краплі, в якій легкий бутанол випаровується повільніше води, спостерігаються зворотні процеси. Таким чином, вчені підсумовують, що традиційних безрозмірних чисел Марангоні і Релея недостатньо, щоб якісно описати динаміку суміші летючих рідин.
У травні цього року американські фізики пояснили механізм розпаду краплі на бризки при зіткненні з твердою поверхнею - розробили теоретичну модель, яка описує цей процес, і підтвердили її передбачення за допомогою високошвидкісної зйомки. У квітні інша група вчених з США детально досліджувала зіткнення крапель з рідкою поверхнею - виявилося, що в результаті цього падіння в рідині утворюється газова порожнина незвичайної форми, яка складається з великого числа секцій. Щоб пояснити механізм формування цієї порожнини, вчені ввели новий критерій подоби, який назвали числом матрьошки. А в листопаді минулого року ще одна група показала, що ефект короткочасної левітації холодної краплі рідини, що падає в нагрітий резервуар з такою ж рідиною, виникає через різницю температур у зазорі між краплею і поверхнею: завдяки цій різниці в зазорі збуджуються газові потоки, які затримують злиття.