Дослідники зі Стенфорда розгадали секрет крапель, які бігали один за одним по поверхні скла.
Скільки б люди не досліджували навколишній світ, наука досі залишається непередбачуваною. Нове відкриття може бути заховане в надрах колайдера, а може опинитися і на самому видному місці. У 2009 в лабораторії університету Вісконсіна студент Нейт Сіра проводив експерименти, в одному з яких йому знадобилося помістити на предметне склишко кілька крапель пофарбованої води. Як повинні поводитися звичайні краплі, коли їх поміщають на рівну скляну поверхню? Начебто якщо поверхня горизонтальна, за вікнами лабораторії не вирує торнадо, і навіть кондиціонер, що висить на стінці, не дме своєю живильною прохолодою на стіл експериментатору, краплі повинні залишатися на своєму місці і покірно чекати, коли їх використовують на благо науки. Так само думав і студент Сіра, поки не кинув погляд на свої краплі. На його здивування вони не сиділи на місці, а почали рухатися, і що ще більш дивно, вони відчували рухи один одного! Одні краплі притягувалися один до одного, інші бігали одна за одною по склу - такої поведінки від них ніхто не очікував. Звісно, Сіра почав вивчати, а що, власне, він щойно побачив.
Через два роки Сіра, відучившись в університеті Вісконсіна, продовжив свою наукову кар'єру в Стенфордському університеті. Весь цей час він намагався розгадати причину дивовижної «соціальної активності» своїх крапель, проте виразного пояснення, чому це відбувається, отримати не зміг. Як відомо, одна голова - добре, а дві чи більше ще краще, і в Стенфорді до дослідження крапель підключилися ще двоє: професор біоінженерії Ману Паркаш і постдок Адріан Бенусіліо. На вирішення «крапельної» проблеми у них пішло без малого цілих три роки, а, здавалося б, всього якісь бігають по склу краплі води! Але головне, що в результаті було знайдено відповідь на питання, що змушує краплі рухатися і найважливіше, яким чином різнокольорові краплі води відчувають один одного на відстані.
Розгадка виявилася і проста, і складна одночасно. Дослідники не відкрили жодних нових невідомих раніше крапельних сил тяжіння або таємничих магнітних полів. Лише випаровування рідини з поверхні краплі і сила поверхневого натягнення, точніше їх взаємодія один з одним, призводить до такого дивовижного ефекту. Щоб зрозуміти, чому краплі у дослідників носилися один за одним по предметному склу, подивимося ближче на головну дійову особу цієї фізичного перфомансу - на краплю. Що робить краплю краплею і що буде, якщо в краплю додати барвник.
Головна сила в житті краплі - це сила поверхневого натягнення. Виникає вона через тяжіння молекул води одна до одної, і саме вона надає рідині її форму. Наприклад, мильна бульбашка кругла, тому що її таким робить сила поверхневого натягнення, яка врівноважує тиск повітря всередині бульбашки. Однак надути бульбашку з води не вийде - для цього обов'язково потрібен другий компонент, в даному випадку це мило. Справа в тому, що у води дуже велике поверхневе натягнення - молекули сильно притягуються один до одного і припиняють будь-які спроби зробити з краплі порожню кульку. Для того, щоб послабити цю силу і потрібно мило - довгі органічні молекули, що містяться в ньому, шикуються особливим чином на поверхні міхура і дозволяють йому розтягуватися до потрібного розміру. А ми пам'ятаємо, що по склу бігали тільки пофарбовані краплі. Отже, молекули, що входять до складу барвника, відіграють важливу роль у цьому процесі. В дослідах Сіра використовував барвник, в якому одним з компонентів був пропіленгліколь - це харчова добавка з кодом Е1520. Крім того, пропіленгліколь - це основний компонент рідини для омивача скла в автомобілях - та сама «незамерзайка».
Ми говорили про силу поверхневого натягнення, але в краплі відбувається ще один процес - крапля випаровується. Молекули води можуть вириватися з чіпких сил поверхневого натягнення. Однак у повітрі їх не чекає повна свобода, чим їх буде більше, тим більше буде вологість повітря. А чим вища вологість повітря, тим повільніше відбуватиметься випаровування. У нашій краплі, в якій крім води знаходяться ще й молекули пропіленгліколя, відбуваються ті ж процеси. Вода випаровується з поверхні краплі, і якщо поруч знаходиться інша крапля, то вологість повітря в області між ними стає більшою, ніж у напрямку, де немає сусідніх крапель. Таким чином крапля ніби «відчуває» сусідні краплі. Але що змушує краплю рухатися?
Для відповіді на це питання треба зазирнути всередину краплі і подивитися, що ж там відбувається. Молекули води і пропіленгліколя прагнуть рівномірно розподілитися за обсягом краплі. Якщо в якійсь частині раптом стає менше молекул пропіленгліколю, то молекули з інших областей рухаються в цю область, щоб заповнити цей дефіцит. Цей процес називається дифузією, і він відповідальний за перемішування рідин. Молекули води з поверхні краплі випаровуються швидше, ніж молекули пропіленгліколю. Крім того, вода з різною швидкістю випаровується з верхівки краплі і з області ближче до поверхні. Виходить, що виникає різниця концентрації пропіленгліколю у верхніх і нижніх частинах краплі, а ця різниця призводить до руху його молекул, які прагнуть зрівняти виникаючий дисбаланс. В результаті виникає сильна циркуляція рідини всередині краплі - всередині неї починають крутитися мікровіхрі. Оскільки крапля кругла і симетрична, то ці вихори також симетрично розподілені всередині краплі і всі виникаючі сили виявляються збалансовані - крапля стоїть на місці. А що буде, якщо поруч помістити іншу краплю?
З боку сусідньої краплі вологість буде вищою, ніж з інших сторін, відповідно виникне різниця у швидкості випаровування води з різних сторін краплі. Різна швидкість випаровування - різна сила мікровіхрей всередині краплі. Виходить, що з одного боку вихори крутяться сильніше, ніж з іншого: форма краплі стає несиметричною, сили поверхневого натягнення прагнуть повернути їй симетричну форму, і крапля починає рухатися. А те, що відрізняє краплі один від одного, це вміст у них пропіленгліколю. Краплі з однаковим вмістом можуть при зустрічі об'єднатися в одну велику краплю, з різним вмістом - бігати один від одного. Дослідники зняли серію зайнятих роликів, подивитися їх можна ось тут, ще тут, тут і ось тут.
Фото: Domiriel/Fickr, Phys.org, Nature
Ризи.3 Різна швидкість випаровування води з поверхні краплі, що містить пропіленгліколь (ліворуч) призводить до виникнення вихорових потоків всередині неї. Якщо з одного боку краплі знаходиться джерело підвищеної вологості (інша крапля), то це призводить до несиметричних вихорів всередині краплі, які спотворюють її форму, а сили поверхневого натягнення, які прагнуть повернути початкову форму, приводять в результаті до руху краплі по поверхні. Для порівняння, на правій стороні малюнка показана крапля, без пропіленгліколю. Фото: Nature
За матеріалами Nature і Stanford University