В результате электрохимического окисления расплавленный металл на нагретой поверхности может проявлять особый тип поверхностной неустойчивости. Группа американских ученых показала, что этот эффект приводит к растеканию капли и образованию двумерных фрактальных структур. Результаты работы опубликованы в Physical Review Letters.

Возникновение на поверхности жидкости нескольких сил, близких друг к другу по величине, может приводить к возбуждению неустойчивостей и изменению формы поверхностей. Такими противодействующими друг другу силами в разных случаях могут быть капиллярные, вязкие или гравитационные силы. Один из типов таких неустойчивостей является неустойчивость Саффмана — Тейлора. Она возникает, если в более вязкую жидкость попадает капля менее вязкой жидкости и приводит к образованию так называемых «вязких пальцев». Такой эффект можно наблюдать, например, при прокачке нефти через воду, и для повышения эффективности процесса его стремятся избежать.

«Вязкие пальцы», образованные в результате неустойчивости Саффмана-Тейлора. D. Grace, J. Todd, M. Poon, R. Neilson / University of Colorado

Для жидкого металла из-за очень высокой энергии поверхностного натяжения формирование вязких пальцев не характерно. Однако оказалось, что похожие неустойчивости на поверхности жидкого металла можно вызвать, если приложить к поверхности металла электрическое напряжение.

Для изучения такого эффекта группа физиков из Университета штата Северной Каролины рассмотрела каплю жидкого сплава галлия и индия. В своем эксперименте каплю расплава объемом от 10 до 100 микролитров авторы работы помещали на плоскую поверхности и прикладывали к ней напряжение до 6 вольт.

Оказалось, что, в зависимости от приложенного напряжения и размера капли, возможно четыре различных режима. Если при очень большом и очень маленьком напряжении капля сохраняет свою круговую форму, то при промежуточных значениях возможно образование двух более сложных режимов, в одном из которых формируется фрактальная структура.

Существование этих режимов ученые связали с изменением химического состава поверхности капли. Электрическое напряжение приводит к электрохимическому окислению поверхности расплава. Образующийся оксидный слой резко снижает поверхностное натяжение металла и работает как поверхностно-активное вещество.

Если слой оксида достаточно тонкий, то одновременные процессы растекания и окисления приводят к возникновению неустойчивостей на линии раздела и образованию «пальцев», которые со временем истончаются и образуют самоподобные фрактальные структуры. Фрактальная размерность таких образований составила 1,3. Для классических вязких пальцев фрактальная размерность ниже, то есть найденный тип неустойчивостей является принципиально новым и ранее не наблюдался.

Если же напряжение слишком большое, то образуется очень толстый слой оксида, который тормозит дальнейшее окисление и не приводит к образованию пальцевых неустойчивостей. Таким образом ученым удалось показать, что с помощью оксидного слоя на поверхности металла можно как возбуждать неустойчивости, так и полностью подавлять их. Это дает возможность с помощью электрохимических методов управлять растеканием и формой капель металла. 

Анализ фрактальных структур используется не только при изучении физических систем, но используется и в других областях. Например, с помощью фрактального анализа удалось объяснить популярность теста Роршаха. А струкукра некоторых литературных произведений и вовсе является мультифрактальной.

Автор: Александр Дубов