Коллектив ученых из Японии и Франции разработал метод получения упорядоченного массива микрокапель фторуглеродов при помощи термодинамических неустойчивостей в системе «вода-масло». В своей работе, опубликованной в Nature Communications, авторы описали динамику поведения капли фторуглерода на поверхности воды. В такой системе образовывались «дырки» в пленке на поверхности, которые расширялись и в итоге образовывали упорядоченные гексагональные массивы капель. Подобный метод может использоваться в синтезе различных наноматериалов, в которых взаимное расположение составляющих частей оказывает принципиальное влияния на итоговые свойства.

Двухмерный массив капель фторуглерода на поверхности воды. Фотография: Daigo Yamamoto et al./ Nature Communications (2015)

Ученые наносили каплю перфтороктилбромида (PFOB, C₈F₁₇Br) на поверхность деионизированной воды. Крайне гидрофобный PFOB («масло») сразу растекался в виде пленки по всей поверхности воды. Вслед за этим сказывалось другое свойства PFOB — летучесть. Из-за испарения вещества пленка в нескольких местах становилась тоньше, что приводило к образованию неустойчивости: пленка начинала сокращаться, то есть в ней образовывалась «дырка».

Само по себе образования дырки в масляной пленке не является чем-то новым. Например, такое же поведение наблюдается для циклогексана на поверхности воды. Однако в новой работе образование происходило необычным образом: по ее периметру на поверхности пленки появлялись «бугорки». Это явление носит название «жемчужная неустойчивость». По мере увеличения размера отверстия «бугорки» оставались на месте и в итоге отрывались в виде капель.

Схема образования массива капель Изображение: Daigo Yamamoto et al./ Nature Communications (2015)

Граница отверстия продолжала расширяться, образуя новые капли, таким образом на поверхности образовывались упорядоченные двухмерные структуры. Следуя мотиву шестиугольников, от центра отверстия к ее краям располагались «пунктиры» из капель масла. Поскольку этот процесс одновременно протекал сразу в нескольких разных частях лабораторной системы, через некоторое время поверхность воды покрывалась большим числом упорядоченных капель. Такая структура, по словам ученых, сохраняла устойчивость достаточно долго, чтобы ее можно было использовать в каких-либо синтетических методиках.

Авторы предполагают, что особенности их системы диктуются характеристиками пленки PFOB. Для нее существует критическая толщина, выше или ниже которой резко изменяется расклинивающее давление — величина, определяющая устойчивость и эволюцию пленки. Вблизи образовавшегося «бугорка» на краю отверстия происходит резкий перепад высоты, а значит — и резкое изменение расклинивающего давления. Последующее образование упорядоченных структур является прямым следствием этих процессов.

Термодинамические и гидродинамические неустойчивости давно являются широкой областью исследований в коллоидной физике. Эти явления широко распространены в повседневной жизни: например, из-за неустойчивости Рэлея-Плато слабая струя воды из-под крана распадается на капли. Ряд неустойчивостей играет большую роль в технологических задачах: так, при прокачки нефти через воду может возникнуть неустойчивость Саффмана-Тейлора — образование «вязких пальцев», которые отрицательно сказываются на ходе процесса.

«Вязкие пальцы», возникающие из-за неустойчивости Саффмана-Тейлора. Фотография: Dustin Grace, Jessica Todd, Marilyn Poon, and Robert Neilson/University of Colorado

Все неустойчивости возникают тогда, когда в системе есть противодействие нескольких эффектов, близких по величине. Чаще всего в «жидких» системах речь идет о капиллярных силах (смачивание), вязких силах (эффекты течения) и давлении вблизи искривленных поверхностей (закон Лапласа). Противостояние этих эффектов стремится снизить общую энергию системы, что в итоге и приводит к образованию порой необычных пространственных структур.