Более 500 лет назад Микеланджело провел четыре года, расписывая потолок Сикстинской капеллы и борясь с краской, капающей ему на лицо. По его оценке, эта работа была «ближе к пытке, чем к живописи».
В Корейском институте передовых технологий KAIST нашли способ эффективно «удерживать падающую краску». Помимо росписи потолков или просто их побелки, этот принцип может решить проблему разрушения жидких пленок на наклонных поверхностях, что открывает перспективы для прецизионного нанесения покрытий, печати электронных схем, 3D-печати и контроля жидкостей в условиях космоса.
Результаты исследования вышли в журнале Advanced Science. Его авторы переосмыслили фундаментальную причину растекания жидкостей под действием гравитации, известную как гравитационная неустойчивость, с точки зрения физики межфазных явлений (изучающей баланс микроскопических сил на поверхности жидкостей) и предложили метод контроля этого эффекта путем добавления небольшого количества летучей жидкости в подвешенную жидкую пленку.
В чем заключались сложности Микеланджело? Когда краска наносится на потолок, образуется тонкая жидкая пленка. Под действием гравитации она становится нестабильной и в конечном итоге начинает капать вниз. Это явление широко распространено в повседневной жизни.
Например, когда пар конденсируется на потолке в ванной, сначала образуется тонкий слой воды, который собирается в капли и стекает. Аналогично, капли, выступившие на станках холодильника, изначально формируют тонкую пленку, но постепенно растут и начинают падать вниз. Этот тип неустойчивости, при котором жидкость, скопившаяся на верхней поверхности, разрушается под действием гравитации, известен как неустойчивость Рэлея—Тейлора. До сих пор считалось, что в присутствии гравитации она неизбежна.
Простое решение
Физики KAIST предложили добавлять небольшое количество летучей жидкости в подвешенную жидкую пленку. По мере испарения летучего компонента меняется распределение концентрации вдоль поверхности жидкости, что создает разницу в поверхностном натяжении. Поверхностное натяжение — это сила, стягивающая поверхность жидкости внутрь, благодаря чему капли воды, например, сохраняют округлую форму.
При возникновении градиента поверхностного натяжения область с более сильным натяжением притягивает жидкость из зон с более слабым натяжением. Это порождает поверхностный поток — эффект Марангони. С помощью экспериментов и теоретического анализа исследователи продемонстрировали, что этот поверхностный поток способен эффективно удерживать жидкость на месте и подавлять гравитационную неустойчивость, которая в противном случае привела бы к ее падению.
Эффект можно проиллюстрировать наглядным примером. Если равномерно посыпать молотый перец на поверхность воды, он будет плавать. Однако стоит капнуть в центр моющим средством, перец резко «разбежится» к краям. Это происходит потому, что моющее средство снижает поверхностное натяжение в месте контакта с водой, побуждая окружающие области с более высоким натяжением перетягивать жидкость к себе. Усиливаясь, поверхностные потоки увлекают за собой частицы перца.
В этом исследовании испарение летучей жидкости создает аналогичную разницу в поверхностном натяжении. Но вместо того чтобы расталкивать частицы к краям посуды, как в примере с перцем, поток втягивает жидкость вверх, противодействуя силе, которая в противном случае заставила бы ее капать вниз.
Зачем все это
В результате при определенных условиях жидкая пленка остается целой, несмотря на гравитацию. В некоторых случаях исследователи даже наблюдали новое поведение: капли не падали, но жидкая пленка периодически колебалась. Это означает, что гравитационной неустойчивостью можно активно управлять, используя только естественные процессы — такие как состав жидкости и испарение — без какого-либо внешнего подвода энергии.
«Неустойчивость Рэлея—Тейлора долгое время считалась неизбежной, пока существует гравитация. Значимость этого исследования в том, что оно показывает возможность активного контроля гравитационной неустойчивости без внешних энергозатрат, используя естественные процессы, такие как состав жидкости и испарение. Этот принцип может выйти за рамки нанесения покрытий, печати и процессов наслоения и найти применение в технологиях управления жидкостями в условиях космоса», — пояснил профессор Ким Хёнсу, руководивший исследованием.
Таким образом, физическое ограничение, с которым боролся Микеланджело 500 лет назад, теперь может вдохновить на создание промышленных технологий будущего.
Почему струя из крана распадается на капли — объяснили физики
Раскрыта сложная физика пивной пены
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram