Нанопузырьки, которые развиваются на поверхностях тел, погруженных в жидкость, теоретически не должны существовать. В силу существующего огромного давления внутри слоя жидкости, они должны исчезать через короткое время. Тем не менее, иногда они существуют многие часы.

Ученые из США и Нидерландов, исследуя этот процесс, обнаружили интересное явление. Они показали, что в определенных условиях проявляется состояние равновесия между газом, входящим в пузырек и газом, покидающим его.

Проф. Детлеф Лоозе (Professor Detlef Lohse) из University of Twente (Нидерланды) и его коллега – проф. Майкл Бреннер (Michael Brenner ) из Harvard University (США) опубликовали результаты работы в журнале Physical Review Letters (Michael P. Brenner and Detlef Lohse. Dynamic Equilibrium Mechanism for Surface Nanobubble Stabilization, – Phys. Rev. Lett. 101, 214505 (2008); doi:10.1103/PhysRevLett.101.214505)

Схема пузыря на поверхности плоского предмета в воде (радиус R, контактный угол θ); на краях пузыря газ движется внутрь и находится в равновесии с газом, вытекающим из пузыря. Это равновесие может длиться долгое время.

В работе показано, что такие пузыри могут развиваться на границе вода-водонепроницаемое тело, которое погружено в воду. Пузырьки воздуха, образующиеся при этом, имеют форму круглой шапки (напоминающей шляпку гриба) – см. рисунок. Диаметр такой шляпки достигает порядка 100 нм, а высота – 10 нм. Причина их появления и развития по-прежнему неизвестна, но то, что удалось установить, является достаточно важным- пузырьки приносят пользу. Например, жидкости текут свободнее вдоль погруженной поверхности, имеют более высокую скорость потока и потребляют меньше энергии, если поверхность покрыта нанопузырьками. Авторам удалось разработать первый метод стимулирования процесса образования пузырьков. Работа может иметь не только теоретическое, но и возможно огромное практическое значение, положив начало новому направлению в исследовании тел, движущихся под водой.

Огорчительно, тем не менее, что до сих пор не найдено объяснения механизмам существования нанопузырей. Почему они появляются и развиваются? Маленькие газовые пузырьки должны исчезать быстро из-за огромного внутреннего давления и утечки газа из пузырька. Проф. Лоозе и проф. Бреннер пытаются отыскать причину того, что газ не только вытекает из пузырька, но и в то же самое время каким-то неизвестным образом попадает внутрь. Когда оба процесса находятся в равновесии, пузырьки могут существовать значительно дольше, чем это предполагалось ранее.

В соотвествии с их теорией, поток газа внутрь пузыря начинается на его краю (см. рисунок); другими словами, где граница пузыря находится в контакте с водонепроницаемой поверхностью. Известно, что вблизи гидрофобной (несмачиваемой водой) поверхности концентрация газа повышается, поскольку молекулы газа привлекаются самой поверхностью. Если эти молекулы газа движутся в направлении границы пузыря, то может осуществиться состояние стабильности, равновесия с потоком молекул газа, выходящим из пузыря. Вообще говоря, такое состояние равновесия является нестабильным в соотвествии со вторым законом термодинамики – здесь может существовать только переходная фаза, подразумевая, что пузырьки растворятся через некоторое время.

Авторы предположили, что «правила игры» могут относиться к определенному диапазону размеров нанопузырьков. Исследования показали, что возможен расчет размеров пузырьков, для которых справедливы сделанные выводы.

Теория, представленная в статье, объясняет причины «долгожительства» пузырьков, что, тем не менее не удовлетворяет авторов, которые предполагают углубиться в рассмотрение поведения этих пузырьков в течение длительного периода времени. Задача, которую они ставят перед собой, заключается в исследовании стабильности состояния равновесия, возникающего вокруг газового пузырька. Кроме этого, важной задачей, по их мнению, является исследование искусственных механизмов стимулирования образования пузырьков на поверхности тела, погруженного в жидкость. Одним из первых методов, которые будут исследованы, является электролиз.

Евгений Биргер