Исследователи из Стэнфорда разгадали секрет капель, которые бегали друг за другом по поверхности стекла.

Сколько бы люди не исследовали окружающий мир, наука до сих пор остается непредсказуемой. Новое открытие может быть спрятано в недрах коллайдера, а может оказаться и на самом видном месте. В 2009 в лаборатории университета Висконсина студент Нэйт Сира проводил эксперименты, в одном из которых ему потребовалось поместить на предметное стеклышко несколько капель окрашенной воды. Как должны вести себя обычные капли, когда их помещают на ровную стеклянную поверхность? Вроде бы если поверхность горизонтальная, за окнами лаборатории не бушует торнадо, и даже кондиционер, висящий на стенке, не дует своей живительной прохладой на стол экспериментатору, капли должны оставаться на своем месте и покорно ждать, когда их используют во благо науки. Так же думал и студент Сира, пока не бросил взгляд на свои капли. К его удивлению они не сидели на месте, а начали двигаться, и что еще более странно, они чувствовали движения друг друга! Одни капли притягивались друг к другу, другие бегали одна за другой по стеклу – такого поведения от них никто не ожидал. Естественно, Сира принялся изучать, а что, собственно, он только что увидел.

Фото: Domiriel/Fickr.

Окрашенные красителем водяные капли с пропиленгликолем двигаются на предметном стекле по замысловатым траекториям, объединяясь, отталкивая, преследуя друг друга. Фото: Nate Cira, Adrien Benusiglio, Manu Prakash

Разная скорость испарения воды с поверхности капли, содержащей пропиленгликоль (слева) приводит к возникновениюсильных вихревых потоков внутри нее. Если с одной стороны капли находится источник повышенной влажности (другая капля), то это приводит к несимм

Спустя два года Сира, отучившись в университете Висконсина, продолжил свою научную карьеру в Стэндфордском университете. Все это время он пытался разгадать причину удивительной «социальной активности» своих капель, однако внятного объяснения, почему это происходит, получить не смог. Как известно, одна голова – хорошо, а две или больше еще лучше, и в Стэнфорде к исследованию капель подключились еще двое: профессор биоинженерии Ману Паркаш и постдок Адриан Бенусилио. На решение «капельной» проблемы у них ушло без малого целых три года, а, казалось бы, всего какие-то бегающие по стеклу капли воды! Но главное, что в итоге был найден ответ на вопрос, что заставляет капли двигаться и самое важное, каким образом разноцветные капли воды чувствуют друг друга на расстоянии. 

Разгадка оказалась и проста, и сложна одновременно. Исследователи не открыли никаких новых неведомых ранее капельных сил притяжения или таинственных магнитных полей. Всего лишь испарение жидкости с поверхности капли и сила поверхностного натяжения, точнее их взаимодействие друг с другом, приводит к такому удивительному эффекту. Чтобы понять, почему капли у исследователей носились друг за другом по предметному стеклу, посмотрим поближе на главное действующее лицо этой физического перфоманса – на каплю. Что делает каплю каплей и что будет, если в каплю добавить краситель.

Главная сила в жизни капли – это сила поверхностного натяжения. Возникает она из-за притяжения молекул воды друг к другу, и именно она придает жидкости ее форму. Например, мыльный пузырь круглый, потому что его таким делает сила поверхностного натяжения, которая уравновешивает давление воздуха внутри пузыря. Однако надуть пузырь из воды не получится – для этого обязательно нужен второй компонент, в данном случае это мыло. Дело в том, что у воды очень большое поверхностное натяжение – молекулы сильно притягиваются друг к другу и пресекают любые попытки сделать из капли полый шарик. Для того, чтобы ослабить эту силу и нужно мыло – содержащиеся в нем длинные органические молекулы выстраиваются особым образом на поверхности пузыря и позволяют ему растягиваться до нужного размера. А мы помним, что по стеклу бегали только окрашенные капли. Значит, молекулы, входящие в состав красителя, играют важную роль в этом процессе. В опытах Сира использовал краситель, в котором одним из компонентов был пропиленгликоль – это пищевая добавка с кодом Е1520. Кроме того, пропиленгликоль – это основной компонент жидкости для омывателя стекла в автомобилях – та самая «незамерзайка».  

Мы говорили о силе поверхностного натяжения, но в капле происходит еще один процесс – капля испаряется. Молекулы воды могут вырываться из цепких сил поверхностного натяжения. Однако в воздухе их не ждет полная свобода, чем их будет больше, тем больше будет влажность воздуха. А чем выше влажность воздуха, тем медленнее будет происходить испарение. В нашей капле, в которой кроме воды находятся еще и молекулы пропиленгликоля, происходят те же процессы. Вода испаряется с поверхности капли, и если рядом находится другая капля, то влажность воздуха в области между ними становится больше, чем в направлении, где нет соседних капель. Таким образом капля как бы «чувствует» соседние капли. Но что заставляет каплю двигаться?

Для ответа на этот вопрос надо заглянуть внутрь капли и посмотреть, что же там происходит. Молекулы воды и пропиленгликоля стремятся равномерно распределиться по объему капли. Если в какой-то части вдруг становится меньше молекул пропиленгликоля, то молекулы из других областей двигаются в эту область, чтобы восполнить этот дефицит. Этот процесс называется диффузией, и он ответственен за перемешивание жидкостей. Молекулы воды с поверхности капли испаряются быстрее, чем молекулы пропиленгликоля. Кроме того, вода с разной скоростью испаряется с верхушки капли и из области ближе к поверхности. Получается, что возникает разница концентрации пропиленгликоля в верхних и нижних частях капли, а эта разница приводит к движению его молекул, которые стремятся уравнять возникающий дисбаланс. В результате возникает сильная циркуляция жидкости внутри капли – внутри нее начинают крутиться микровихри. Поскольку капля круглая и симметричная, то эти вихри также симметрично распределены внутри капли и все возникающие силы оказываются сбалансированы – капля стоит на месте. А что будет, если рядом поместить другую каплю? 

Со стороны соседней капли влажность будет выше, чем с других сторон, соответственно возникнет разница в скорости испарения воды с разных сторон капли. Разная скорость испарения – разная сила микровихрей внутри капли. Получается, что с одной стороны вихри крутятся сильнее, чем с другой: форма капли становится несимметричной, силы поверхностного натяжения стремятся вернуть ей симметричную форму, и капля начинает двигаться. А то, что отличает капли друг от друга, это содержание в них пропиленгликоля. Капли с одинаковым содержанием могут при встрече объединиться в одну большую каплю, с разным содержанием – бегать друг от друга. Исследователи сняли серию занятных роликов, посмотреть их можно вот тут, еще здесь, здесь и вот здесь.

   Фото: Domiriel/Fickr,  Phys.org,  Nature

 Рис.3 Разная скорость испарения воды с поверхности капли, содержащей пропиленгликоль (слева) приводит к возникновениюсильных вихревых потоков внутри нее. Если с одной стороны капли находится источник повышенной влажности (другая капля), то это приводит к несимметричным вихрям внутри капли, которые искажают ее форму, а силы поверхностного натяжения, стремящиеся вернуть первоначальную форму, приводят в результате к движению капли по поверхности. Для сравнения, на правой стороне рисунка показана капля, без пропиленгликоля. Фото: Nature

По материалам Nature и Stanford University