Физики заставили каплю масла подпрыгивать вечно — видео

Ученые добились успеха без брызг — заставили крошечную каплю масла подпрыгивать на вибрирующей поверхности. Эффектный результат, описанный в статье для Physical Review Letters, может быть использован для управления ничтожными количествами жидкости в химической или фармацевтической промышленности. Некоторые физики полагают, что это может даже помочь разгадать тайны квантовой механики.

«Я просто в восторге от этого», — признается Шмуэль Рубинштейн из Еврейского университета в Иерусалиме.

По его словам, капли повсеместно встречаются в промышленных процессах, многие исследователи изучают их, но поучить «крутые» эффекты сложно. То, что удалось коллегам, «не просто очаровательно — это впечатляет», оценил физик.

Эксперименты с простыми каплями жидкости дают порой удивительные результаты. В 2005 году физики с удивлением обнаружили, что в вакууме капля, ударяясь о поверхность, не разбрызгивается, а растекается плавно. В том же году другая команда обнаружила, что капля может подпрыгивать бесконечно долго на вибрирующей ванночке, сделанной из той же жидкости. «Мы пробовали твердую поверхность, но это не сработало», — вспоминает профессор Эммануэль Фор из Высшей школы промышленной физики и химии города Париж, участвовавший в том эксперименте.

Потребовалось почти десятилетие, чтобы исследователи добились прогресса с твердыми поверхностями. В 2014-м физик Джон Колински из Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) и его коллеги показали, что если уронить каплю воды с достаточно малой высоты, она может отскакивать от гидрофильной поверхности, которую в норме должна бы смочить и покрыть. Воздух под каплей смягчает ее падение, а сила поверхностного натяжения помогает сохранить целостность. Тем не менее, примерно через 0,3 секунды и 10 или более отскоков капля разрывалась под действием электростатических сил со стороны подложки.

Теперь Колински и его коллегам удалось сделать этот танец почти вечным: они заставили каплю силиконового масла диаметром около 0,8 миллиметра подпрыгивать сколь угодно долго на липофильной поверхности слюды. Они взяли свежерасщепленный кристалл слюды, гладкий на атомном уровне, и принудили его вибрировать с амплитудой в доли миллиметра и частотой до 180 герц. Движение капли снимали высокоскоростной камерой.

При частоте выше 20 Гц прыжки капли не прекращаются очень долго. «Самый долгий эксперимент длился где-то в районе 20 минут», — уточняет Колински.

Компьютерное моделирование показало, как вибрация накачивает энергию в систему, заставляя каплю подпрыгивать и восполняя амортизирующий слой воздуха под ней, объясняет Колински. Любопытно, что в этом субмикрометровом зазоре почти нет молекул воздуха, отмечает он.

Эксперимент кажется проще, чем был на самом деле, говорит ведущий автор работы Лебо Молефе из EPFL: «Сбор установки занимает день, но тонкая настройка всего потребовала недель и месяцев».

Например, если пластинка слюды не идеально горизонтальна, подпрыгивающая капля убегала из фокуса камеры. В итоге на проведение всего эксперимента ушло 2 года, отмечает Молефе.

Исследователи обнаружили, что могут заставить каплю «танцевать» и другим способом. Если увеличить частоту выше 90 Гц, подпрыгивание прекращается, капля остается прилипшей к поверхности и просто меняет форму, бесконечно переключаясь между двумя приземистыми, слегка коническими конфигурациями.

«Связанное состояние просто потрясает мой разум, — восхищен Рубинштейн. — Я действительно этого не ожидал».

Полученные результаты напоминают отскакивающие капли на поверхности жидкости, но тут совсем другие эффекты, подчеркивает физик Мишель Дрисколл из Северо-Западного университета — «там все было связано с деформацией жидкости в ванне», а не капли.

«Так что здесь явно совсем другая физика», — уверяет она.

По мнению Дрисколл, эксперименты нужно продолжать и развивать, чтобы научиться применять эффект для перемешивания и сортировки микроскопических количеств жидкости без непосредственного прикосновения к ним. Это может быть полезным там, где важна идеальная чистота — например в фармакологии.

Еще интереснее, что достижение может помочь усилиям по прояснению тайн квантовой механики — теории, управляющей атомным миром. С самых первых экспериментов Фора некоторые физики замечали, что капля и волны, которые она создает на поверхности жидкости, напоминают знаменитый корпускулярно-волновой дуализм квантовой теории. Экспериментаторы обнаружили поразительные — пусть и не полные или количественные — сходства между тем, как отскакивающая капля может направляться собственными волнами, и тем, как квантовая частица может интерферировать сама с собой.

По словам профессора, новая система не кажется идеальной для такой работы, поскольку твердая поверхность слюды не создает волн. Однако прикладной математик Джон Буш из Массачусетского технологического института считает, что эксперимент можно перевернуть с ног на голову — и заставить прыгать шарик из слюды по поверхности воды. Это стало бы большим подспорьем для опытов по квантовой аналогии, поскольку их результаты часто зависят от точного размера жидкой капли, который трудно контролировать.

Буш хотел бы попробовать это: «Я собираюсь связаться [с Колински и коллегами] и узнать, не могут ли они прислать нам немного частиц слюды».