Капля масла танцует вечно: как ученые заставили ее подпрыгивать без остановки — секрет вибрации и слюды

Ученые добились успеха без брызг — заставили крошечную каплю масла подпрыгивать на вибрирующей поверхности. Эффектный результат, описанный в статье для Physical Review Letters, может быть использован для управления ничтожными количествами жидкости в химической или фармацевтической промышленности.

Некоторые физики полагают, что это может даже помочь разгадать тайны квантовой механики. Это открытие открывает новые перспективы для управления жидкостями на микроуровне и понимания фундаментальных законов физики.

"Я просто в восторге от этого", — признается Шмуэль Рубинштейн из Еврейского университета в Иерусалиме.

По его словам, капли повсеместно встречаются в промышленных процессах, многие исследователи изучают их, но поучить "крутые" эффекты сложно. То, что удалось коллегам, "не просто очаровательно — это впечатляет", оценил физик. Отзывы других ученых подчеркивают значимость и оригинальность этого открытия.

Удивительные результаты: капли в вакууме и бесконечное подпрыгивание

Эксперименты с простыми каплями жидкости дают порой удивительные результаты. В 2005 году физики с удивлением обнаружили, что в вакууме капля, ударяясь о поверхность, не разбрызгивается, а растекается плавно. В том же году другая команда обнаружила, что капля может подпрыгивать бесконечно долго на вибрирующей ванночке, сделанной из той же жидкости.

"Мы пробовали твердую поверхность, но это не сработало", — вспоминает профессор Эммануэль Фор из Высшей школы промышленной физики и химии города Париж, участвовавший в том эксперименте.

Потребовалось почти десятилетие, чтобы исследователи добились прогресса с твердыми поверхностями. В 2014-м физик Джон Колински из Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) и его коллеги показали, что если уронить каплю воды с достаточно малой высоты, она может отскакивать от гидрофильной поверхности, которую в норме должна бы смочить и покрыть.

Воздух под каплей смягчает ее падение, а сила поверхностного натяжения помогает сохранить целостность. Тем не менее, примерно через 0,3 секунды и 10 или более отскоков капля разрывалась под действием электростатических сил со стороны подложки.

Вечный танец: силиконовое масло, липофильная слюда и высокоскоростная камера

Теперь Колински и его коллегам удалось сделать этот танец почти вечным: они заставили каплю силиконового масла диаметром около 0,8 миллиметра подпрыгивать сколь угодно долго на липофильной поверхности слюды.

Они взяли свежерасщепленный кристалл слюды, гладкий на атомном уровне, и принудили его вибрировать с амплитудой в доли миллиметра и частотой до 180 герц. Движение капли снимали высокоскоростной камерой. Использование высокотехнологичного оборудования позволило детально изучить поведение капли на вибрирующей поверхности.

При частоте выше 20 Гц прыжки капли не прекращаются очень долго.

"Самый долгий эксперимент длился где-то в районе 20 минут", — уточняет Колински.

Вибрация и амортизирующий слой: компьютерное моделирование и субмикрометровый зазор

Компьютерное моделирование показало, как вибрация накачивает энергию в систему, заставляя каплю подпрыгивать и восполняя амортизирующий слой воздуха под ней, объясняет Колински. Любопытно, что в этом субмикрометровом зазоре почти нет молекул воздуха, отмечает он. Компьютерное моделирование помогло понять механизмы, лежащие в основе подпрыгивания капли.

Эксперимент кажется проще, чем был на самом деле, говорит ведущий автор работы Лебо Молефе из EPFL: "Сбор установки занимает день, но тонкая настройка всего потребовала недель и месяцев".

Например, если пластинка слюды не идеально горизонтальна, подпрыгивающая капля убегала из фокуса камеры. В итоге на проведение всего эксперимента ушло 2 года, отмечает Молефе. Проведение эксперимента потребовало значительных усилий и времени для достижения оптимальных условий.

"Танцы” и "связанное состояние”: переключение между конфигурациями

Исследователи обнаружили, что могут заставить каплю "танцевать" и другим способом. Если увеличить частоту выше 90 Гц, подпрыгивание прекращается, капля остается прилипшей к поверхности и просто меняет форму, бесконечно переключаясь между двумя приземистыми, слегка коническими конфигурациями.

Интересные факты о жидкостях и поверхностном натяжении

Поверхностное натяжение является причиной того, что капли жидкости имеют сферическую форму.
Различные жидкости имеют разное поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение играет важную роль в многих природных явлениях, таких как образование росы и движение воды по капиллярам.

В заключение, ученые заставили каплю масла бесконечно подпрыгивать на вибрирующей поверхности, открыв новые возможности для управления жидкостями на микроуровне и понимания фундаментальных законов физики. Это открытие может иметь значительные последствия для различных областей науки и техники, от химической и фармацевтической промышленности до квантовой механики.