Эффект Марангони заключается в том, что при наличии градиента поверхностного натяжения жидкость самопроизвольно движется в сторону области с большим коэффициентом поверхностного натяжения. Этот эффект может возникать в разных условиях, к примеру если жидкость представляет собой смесь из двух веществ с разным поверхностными натяжением. Поскольку поверхностное натяжение зависит не только от природы жидкости, этот эффект можно наблюдать и из-за других причин. К примеру, при нагревании поверхностное натяжение жидкости падает, поэтому обычно жидкость при этом двигается в более холодную сторону.

Chirodeep Bakli et al. / Nanoscale, 2017

Индийские ученые обнаружили, что при определенных условиях в одной и той же жидкости может наблюдаться противоположный эффект. Для исследования они использовали не настоящие капли воды, а компьютерную модель. Каплю, состоящую из двух с половиной тысяч молекул воды поместили на небольшую гидрофобную подложку размером примерно 24×16 нанометров. Также исследователи симулировали температурный градиент вдоль подложки.

На симуляции можно увидеть, что капля двигается в сторону более теплой области. Chirodeep Bakli et al. / Nanoscale, 2017

Оказалось, что в некоторых случаях капля ведет себя неординарно — двигается из области с меньшей температурой в область с большей. Ученые предложили этому объяснение. Дело в том, что при нагревании часть молекул испаряется из капли, причем уровень испарения выше в более нагретой области. Соответственно, в более горячей части капли понижается концентрация молекул воды, и молекулы из холодной части компенсируют это и устремляются в сторону меньшей концентрации. Из-за локализованного охлаждения поверхностное натяжение в месте контакте жидкости с поверхностью возрастает, что заставляет каплю двигаться по направлению к разогретой области.

Ученые признают, что они симулировали крайне маленькие капли, а также крайне большие температурные градиенты. В дальнейшем они планируют симулировать большие капли, чтобы понять, до каких масштабов сохраняется эффект. Исследователи считают, что в будущем такой эффект позволит эффективно охлаждать микрочипы и микроэлектронные устройства, причем капли будут сами перемещаться в область нагрева, а затем испаряться.

В начале года инженеры из Intel и Университета Дьюка также предложили охлаждать процессоры с помощью капель, но другим образом — с помощью слияния и подпрыгивания капель воды. А физики из Индии и Канады с помощью моделирования открыли другой необычный эффект — они заставили капли подниматься вверх по ступенькам, а не скатываться с них.

Автор: Григорий Копиев