Было замечено, что при определенных условиях капли жидкости начинают двигаться, словно в танце. Недавно американские ученые смогли объяснить причины этого удивительного явления. По словам профессора биоинженерии Ману Пракаша (Manu Prakash) из Стенфордского университета (США), капли двухкомпонентных жидкостей, действительно, «ощущают» друг друга, двигаются и взаимодействуют как живые клетки. Результаты исследования могут быть полезными в производстве полупроводников и самоочищающихся солнечных батарей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Причины этого явления удалось установить в результате многолетних наблюдений. Все началось в 2009 году, когда Нейт Сира (Nate Cira), в ту пору студент университета Висконсина, проводил опыт для написания научной работы. В ходе этого эксперимента он нанес несколько капель пищевого красителя на поверхность стерильного стекла, и был удивлен, когда они начали двигаться. Нейт изучал это явление в течение двух лет и когда поступил в аспирантуру Стендфордского университета, поделился своими наблюдениями со своим преподавателем Ману Пракашем. Этот последний также был заинтригован тайной «танцующих капель» и вскоре пригласил в исследовательскую команду доктора Андриена Бенузильо (Adrien Benusiglio).
Объединившись, исследователи в течение трех лет проводили все более усложняющиеся эксперименты, чтобы понять, как эти крошечные капли пищевого красителя ощущают друг друга в движении. Аналогичный процесс в живых клетках известен как хемотаксис.
Как пишут ученые в своей статье, пищевой краситель был двухкомпонентной жидкостью. В подобных веществах смешиваются два различных химических соединения. Исследователи обнаружили, как динамические взаимодействия этих двух молекулярных компонентов позволяют неодушевленным каплям имитировать поведение живых клеток.
По сути капельки танцевали из-за неустойчивого равновесия между поверхностной энергией и испарением. Испарение — вполне понятный процесс, а поверхностное натяжение — это особая термодинамическая характеристика всех жидкостей. В наблюдаемом красителе вода испарялась быстрее, чем глиголь пропилена. У воды также более высокое поверхностное натяжение. Эти различия создают силу, которая позволяет капле не только начать двигаться, но также и ощущать своих «соседей».
Дело в том, что в каплях красителя вода и гликоль пропилена пытаются остаться равномерно распределенными, но разность испарения создает дисбаланс. На вершине каждой капли вода превращается в пар и улетучивается быстрее, чем менее склонный к испарению гликоль пропилена. Вода генерирует более интенсивное поверхностное натяжение, и это вызывает движение молекул в капле. Испарение определяет направление подобного движения. Каждая капля испускает вокруг себя радиально движущиеся волны пара, благодаря которым «чувствует» точное месторасположение других капель.
Ученые экспериментировали с различными пропорциями воды и глиголя пропилена. Капли вещества, содержащего одну часть гликоля пропилена к девяти частям воды, показали практически такой же эффект, как и капли при соотношении один к трем. Основанные на этих наблюдениях выводы позволяют сформулировать универсальное правило, описывающее поведение любых двухкомпонентных жидкостей, которые будут демонстрировать аналогичный эффект. Понимание физических процессов, лежащих в основе этого явления, позволяет исследователям предсказывать, какие вещества продемонстрируют этот необычное явление. В практическом применении это может помочь в разработке новых способов очистки стеклянных и кремниевых поверхностей, используемых, например, в полупроводниках, а также в создании нового поколения самоочищающихся солнечных батарей.
Ранее портал Научная Россия писал о российских технологиях, связанных с аккумулированием солнечной энергии, а также об изобретении «светящейся бумаги», состоящей из мельчайших светодиодов.
