Физики изучили распространение жидкости с примесью красителя в пористом материале. Полное представление о смешивании они получили благодаря хаотическим узорам на поверхности. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Пористые материалы обладают сложной структурой. Проходя через них, жидкость движется хаотично в разных направлениях. Если в такой хаотично движущейся жидкости окажется примесь, произойдет перемешивание.

Увидеть этот процесс напрямую можно только в прозрачных материалах. Но для практического применения важнее изучить движение жидкости не в пористом стекле, а, например, в почве или гравии. Получив описание таких процессов, можно понять, как меняется концентрация загрязняющих веществ в воде при прохождении сквозь горные породы.

Смешивание в непрозрачных материалах уже наблюдали с помощью рентгеновской и магнитно-резонансной спектроскопии, но эти методы дали изображения недостаточно высокого качества — микроскопические аспекты процесса остались невидимыми.

Джорис Хейман (Joris Heyman) и Танги Ле Борн (‪Tanguy Le Borgne) из Университета Ренна I вместе с Даниэлем Лестером (‪Daniel Lester) из Мельбурнского королевского технологического института разработали новый метод, который позволяет наблюдать за процессом протекания вещества через пористый материал, когда получение прямого изображения невозможно.

В качестве пористой среды ученые взяли цилиндры высотой 20 сантиметров, заполненные шариками диаметром пять миллиметров или гравием со средним диаметром одного обломка 5,4 миллиметра. Между основаниями цилиндров поддерживали постоянный барический градиент, который обеспечивал установившийся поток смеси воды и глицерина сквозь материал в цилиндре.

Эксперимент провели в два этапа. Сначала в жидкость тонкой иглой (r = 0,5 миллиметра) ввели флуоресцентный краситель сквозь одно из оснований цилиндра. После того, как краситель достиг другого основания, ученые поменяли направление потока на обратное.

Для возбуждения флуоресцентного излучения вещества, проступающего на поверхности, использовали лазер. Перемешивание красителя произошло, несмотря на то, что поток жидкости был медленным и не турбулентным. Картина на поверхности менялась со временем: краситель распространялся от одного пятнышка в центре, постепенно создавая хаотические узоры.

Joris Heyman et al. / Physical Review Letters, 2021

Новый метод дал изображение с точностью до микроскопических деталей. Ученые смогли качественно оценить смешивание веществ в жидкости, протекающей сквозь непрозрачное пористое вещество.