Материалы портала «Научная Россия»

Тайна «танцующих капель» раскрыта

Тайна «танцующих капель» раскрыта
Ученые из Стендфордского университета нашли объяснение феномену искусственного хемотаксиса, демонстрируемому при определенных условиях двухкомпонентными жидкостями.

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.

двухкомпонентные жидкости испарение поверхностное натяжение хемотаксис

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий