Блог Франсіско Р. Віллаторо
Фізика рідини - одна з найкрасивіших галузей науки. Повсякденні речі, такі як рух крапель води по рівній поверхні, можуть розважати вас годинами. Особливо, якщо вони складаються з двох добре підібраних змішуваних рідин і мають вражаючі кольори. Вони танцюють як танцюристи з гіпнотичною хореографією. Це схоже на магію, але це фізично.
Краплі, що складаються з пропіленгліколю та води, не мають чітко визначеного кута контакту з поверхнею, вони лише видаються. Вони оточені тонким шаром рідини, який неможливо побачити неозброєним оком. Завдяки цьому виникають сили між кожними двома краплями через градієнти поверхневого натягу, викликані випаровуванням у цих плівках рідини. Рідка динамічна система, що демонструє широкий спектр поведінки і може застосовуватися в рідинній та мікрожидкостній техніці.
Технічний документ - Н. J. Cira, A. Benusiglio, M. Prakash, "Паромедіаційне зондування та рухливість у двокомпонентних краплях", Nature, AOP, 11 березня 2015 р., Doi: 10.1038/nature14272. Багато ЗМІ повторили цю новину, наприклад, мій друг Антоніо Мартінес Рон, він же @aberron, «Гра з краплями: двері до нових рідинних додатків», далі, Vozpópuli, 11 березня 2015 р.
Я рекомендую вам подивитися це відео, особливо з хвилини 06:00, де пояснюється, як повторити експерименти у власному будинку (якщо вам це подобається, це дуже легко). Вчителям фізики це сподобається, оскільки це легкий експеримент для наслідування в лабораторії, де не вистачає ресурсів. А результати вражаючі.
Цей малюнок дуже добре ілюструє, як краплі, використані в експерименті, оточені тонкою рідкою плівкою. Цей фільм викликає сили (взаємодії) між краплями, які призводять до різної поведінки.
Ця фазова діаграма показує різні типи взаємодії між двома краплями (0,5 мкл) з водою та певним відсотком пропіленгліколю (% PG). Існує чотири варіанти поведінки. Щоб їх краще зрозуміти, рекомендую переглянути відео вище (якщо ви його ще не бачили). Наприклад, червоним кольором на цій фазовій діаграмі з’являється злиття або зрощення крапель; наприклад, дві жовті краплі на малюнку, що відкриває цей запис, мають 10% GP. До речі, якщо дві краплі різного кольору (жовтого та синього) зливаються, відбувається зміна кольору (зелений). Інший приклад - незмішана тяга (ціла погоня), яка на фазовій діаграмі відображається синім кольором; наприклад, синій (25% PG) та оранжевий (1% PG) падають на малюнку, який відкриває цей запис. Одна крапля штовхає іншу, не змішуючи. І так само з двома іншими типами взаємодії.
Можна розробити велику кількість (мікро) текучих пристроїв. Автори пропонують спонтанний вирівнювач крапель (верхня частина малюнка) та вертикальний осцилятор крапель (нижня частина малюнка). 0,5 мкл зелених крапель із 10% PG використовуються в горизонтальному вирівнювачі, який розміщують у випадкових положеннях на відстані 5 мм, вертикальними лініями між ними написаними маркером дрібної точки та чорною чорною фарбою (марка Sharpie). Вертикальний генератор використовує синій (25% PG) і червоний (1% PG) краплі у вертикальній доріжці 4 мм (кадри зображень розташовані на одній секунді).
На цьому малюнку показані два інші пристрої: кругова гоночна траса (зверху) та класифікатор на основі поверхневого натягу (знизу). На круговій доріжці червона крапля (1% PG) і синя (25% PG) рухаються по колу середнього діаметра 2,1 см (три зображення розділені на десять секунд). Кілька свердловин (пофарбованих маркером Шарпі) поміщають в класифікатор поверхневого натягу, що містить краплі зі зменшенням концентрації 30% PG (червоний), 25% PG (оранжевий), 20% PG (жовтий), 15% PG (зелений), 10 % PG (синій) та 5% PG (чорний). Ця конфігурація нахиляється (у вигляді похилої площини) і падають краплі певної концентрації (і, отже, певного поверхневого натягу). Вони падають під дією сили тяжіння, а зрощення відбувається, коли вони зустрічають подібне падіння. Завдяки цьому можна оцінити поверхневий натяг падаючої краплі.
Коротше кажучи, дуже курйозна і дуже цікава робота, яка може мати багато застосувань у мікрожидкій динаміці. Краса фізики рідин ніколи не вражає.