Физики из Университета Стенфорда и Научно-технического института Окинавы обнаружили необычное поведение при растекании капель жидкости в средах, смешивающихся с материалом капель. В отличие от привычного растекания в плоскую «лужицу», капли в таких условиях приобретают формы, напоминающие шляпу. По словам авторов, важную роль в эволюции формы капли начинают играть не только силы гравитации, но и потоки жидкости, вызванные диффузией. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Fluids, кратко о нем сообщает Physics.

В экспериментах ученые помещали на предметное стекло каплю кукурузной патоки, после чего помещали стекло в воду. Происходящее фиксировалось видеокамерой. Патока начинала растекаться и растворяться в воде, из-за чего форма капли постепенно менялась. Со стороны при этом возникало ощущение, что круглая капля постепенно превращалась в «шляпу-котелок» с разрастающимися полями. Центральная часть «шляпы» сохраняла форму и лишь уменьшалась в высоте. 

Для того, чтобы понять, что ответственно за такую форму, физики добавили в сироп 200-нанометровые флуоресцирующие полистирольные микросферы. С их помощью ученые визуализировали движение жидкостей и обнаружили быстродвижущийся поток, спускающийся с верхушки «шляпы» к ее краям, расширяя тем самым поля «шляпы». Возникновение потока авторы связывают с диффузией между жидкостями.

Серия кадров с кукурузной патокой, растекающейся на стекле, которое погружено в воду. Снимки охватывают 20 секунд эксперимента. Daniel J. Walls et al. / Physical Review Fluids, 2016

Кроме того, авторы разработали модель поведения капель в средах, химически близких к ним по составу. Проделанная работа позволяет лучше понять процессы, происходящие, например, на крыльях птиц, попавших в нефтяные пятна — естественные жиры на перьях хорошо смешиваются с нефтью. В перспективе это может улучшить существующие способы очистки оперения птиц при разливах нефти. 

Исследованиями динамики капель занимаются многие группы физиков. Так, ученые из Университета Принстона изучили поведение капель виски при высыхании (при этом возникают необычные узоры), а швейцарские физики обнаружили спонтанную левитацию капель воды над специальными поверхностями.

Автор: Владимир Королёв