О левитирующих каплях, открытых учеными ТюмГУ, узнаёт мир

В ходе экспериментов по подбору несмешивающихся жидкостей, которые не образуют однородных смесей друг с другом, было обнаружено, что капелька бутилового спирта, оторвавшись от кончика иглы шприца, не проваливается в слой силиконового масла, а устойчиво парит над его поверхностью, сохраняя такое положение в течение длительного времени. В исследовании, опубликованном в журнале Applied Physics Letters, на примере ряда жидкостей авторы показывают, что левитация капель размером порядка нескольких миллиметров возможна в течение продолжительного периода времени без приложения каких-либо внешних сил.

Исследователи Тюменского госуниверситета отмечают, что само по себе явление некоалесценции капель с нижележащей жидкостью уже давно и хорошо известно. Однако в естественных условиях левитация капель над жидкостью скоротечна — несколько миллисекунд. Учёные говорят, что в их случае удалось наблюдать капли с временем левитации до нескольких десятков минут.

Причиной левитации капли является концентрационно-капиллярная конвекция в слое силиконового масла. Эта конвекция возникает вследствие формирования градиента поверхностного натяжения за счёт неравномерного распределения молекул пара из капли у поверхности жидкости.

Как правило, для длительного поддержания капель в состоянии левитации (от секунды и более) необходимо постоянно создавать избыточное давление в очень тонком зазоре между каплей и поверхностью нижележащей жидкости. Этого можно добиться различными способами, например, с помощью вибрации в слое жидкости, чтобы капля как бы подпрыгивала, или создавая воздушные потоки в зазоре под каплей.

«В последнем случае капля может перекатываться над поверхностью жидкости, либо активно испаряться, как, например, в эффекте Лейденфроста, — говорят авторы опубликованного исследования. — Существуют также методы магнитной или акустической левитации, но все они имеют одну общую черту: мы либо производим внешнюю работу над системой, либо изначально создаём неравновесные условия, так что длительная левитация капли может быть обеспечена только в процессе их существования».

Дальнейшее изучение влияния различных внешних условий на самоподдерживающуюся левитацию капель позволит определить возможность её использования и адаптации для применения в микробиологии и биохимии.

Авторы исследования считают, что эффект длительной самоподдерживающейся левитации капель может быть полезен для разработки научного инструментария по изучению разнообразия и активности микроорганизмов. Так, например, известны случаи, когда некоторые бактерии вырабатывают устойчивость к спиртам, используемых для мытья рук. Помимо этого, этот эффект также может поспособствовать улучшению понимания тепло- и массообмена в паровой плёнке.

Новая статья была особо отмечена редакцией ведущего мирового журнала, входящего в Nature Index (Q0), и попала в новости APL как наиболее интересная публикация номера.

Исследование выполнено по госзаданию Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № FEWZ-2023−0005 в институте X-BIO.

Управление стратегических коммуникаций ТюмГУ

На фото: Капля бутилового спирта парит над поверхностью силиконового масла

Фото: Наталья Иванова и Денис Клюев