Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.981 RSS
←   Июнь 2006   →
 1
 2
 3
 4
 5
05.06.2006
13:22:27
14:41:45
 6
06.06.2006
12:18:45
15:21:24
 7
 8
08.06.2006
15:13:22
20:44:45
 9
10
11
12
13
13.06.2006
11:57:38
17:03:59
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.981 подписчиков
+9 за неделю
←   Все выпуски   →

Жидкости способны полностью изолироваться от несмачиваемых поверхностей


Научно-популярная библиотека на «Элементах»

В. Н. Тутубалин и др. Математическое моделирование в экологии: Историко-методологический анализ.

Книга о реальной эффективности применения математических моделей в экологии и других науках, о «колодках мышления» и о чернобыльской катастрофе.

Жидкости способны полностью изолироваться от несмачиваемых поверхностей

13.06.2006

Капля жидкости, покоящаяся на сильно гидрофобной поверхности, не только «собирается в шарик», но сама и изолирует себя от контакта с поверхностью, создавая моноатомную газовую прослойку (изображение из статьи cond-mat/0510687)
Капля жидкости, покоящаяся на сильно гидрофобной поверхности, не только «собирается в шарик», но сама и изолирует себя от контакта с поверхностью, создавая моноатомную газовую прослойку (изображение из статьи cond-mat/0510687)
Компьютерное моделирование свойств жидкости вблизи гидрофобных поверхностей, выполненное голландскими исследователями, показало, что жидкость способна сама создавать газовую прослойку и изолироваться от контакта со стенкой. При течении по гидрофобным трубам возникает новое гидродинамическое явление — проскальзывание жидкости.

Давно известно, что структура и свойства твердых и жидких тел в толще среды и на поверхности могут существенно различаться. Например, такие явления, как плавление льда или окисление некоторых металлов начинаются на свободной поверхности тел при гораздо более низких температурах, чем «номинальные» точки плавнения и окисления всей толщи образца. Происходит так потому, что атомы на свободной поверхности имеют меньше связей с соседями, а значит, им труднее сохранять свою первоначальную кристаллическую структуру.

Противоположная ситуация наблюдается внутри жидкости, вблизи стенок сосуда. Твердая поверхность оказывает упорядочивающий эффект на жидкость и как бы кристаллизует прилегающую непосредственно к ней тонкую прослойку жидкости.

Недавние эксперименты, однако, показали, что структура жидкости в непосредственной близости твердой поверхности еще хитрее. В обычных условиях в жидкостях всегда в небольших количествах присутствуют растворенные газы. Так вот, выяснилось, что стенка эти молекулы газа притягивает, собирает на себе. Даже инертный газ, который, по идее, не образует никаких химических связей, тем не менее мигрирует из толщи жидкости и оседает на стенке. Этот эффект особенно ярко выражен для гидрофобных (то есть несмачиваемых, водоотталкивающих) поверхностей: в этом случае на поверхности даже образуются крохотные пузырьки газа.

В принципе, в этом поведении нет ничего загадочного. Жидкость с растворенным в ней газом стремится минимизировать свою энергию. Для водоотталкивающей поверхности энергия связи молекул жидкости со стенкой заметно меньше, чем друг с другом. В результате получается, что вблизи стенки выгодно держаться именно атомам инертного газа, а не молекулам жидкости. Однако на этих общих словах понимание и заканчивается: подробной теории этого эффекта пока нет.

В такой ситуации очень полезным оказалось численное моделирование, проведенное двумя физиками из Университета Твенте (Нидерланды). В их статье S. M. Dammer and D. Lohse, Physical Review Letters, 96, 206101 (24 May 2006), доступной также как cond-mat/0510687, молекулы жидкости, стенки и атомы инертного газа моделируются круглыми шариками, взаимодействующими по очень простому закону притяжения на больших расстояниях и отталкивания на малых. Переходить от гидрофильной к гидрофобной поверхности можно, изменяя энергию связи между «атомами» стенки и «атомами» жидкости: чем слабее связь со стенкой, тем более водоотталкивающей является поверхность. Несмотря на чрезвычайную простоту такой модели, выяснилось, что в ней наблюдаются все основные зависимости, обнаруженные экспериментально.

Для начала голландцы изучили поведение чистой жидкости, без примеси газа, на примере лежащей на твердой поверхности маленькой капельки из десятка тысяч атомов. Они смоделировали лишь долю микросекунды «жизни» капли, но и этого оказалось достаточным, чтобы проследить за возникновением капиллярных сил, найти зависимость краевого угла (угла между краем капли и твердой поверхностью) от гидрофобности стенки и, самое главное, доказать, что первые 2-3 атомных слоя вблизи твердой поверхности действительно почти кристаллизуются.

Затем в жидкость было добавлено небольшое количество атомов газа. Моделирование показало, что атомы газа действительно мигрируют к поверхности. Более того, в случае сильно гидрофобной поверхности жидкость вообще не касается стенки: их разделяет моноатомный слой инертного газа (см. рисунок; концентрация газа на графике показана красной линией). Можно сказать, что жидкость сама себе создает «воздушную подушку»: если ее налить в пробирку, то она сама выстелет внутренние стенки газовой прослойкой, изолируясь от сосуда.

Последнее замечание оказалось имеющим далеко идущие последствия. Газовая прослойка, как выяснилось, не просто уменьшает силу трения жидкости о стенку, а приводит к совершенно новому явлению: проскальзыванию жидкости относительно стенок. Это означает, что скорость течения жидкости в потоке, конечно, уменьшается вблизи гидрофобной стенки, но не падает до нуля, как до сих пор всегда молчаливо подразумевалось. Явление проскальзывания, фактически, открывает целую новую главу в гидродинамике — одной из самых старый областей физики. Возможно что дальнейшее изучение таких ситуаций приведет к открытию новых эффектов, принципиально невозможных без проскальзывания.

См. также:
Подробнее об этих исследованиях можно почитать на страничке Стефана Даммера (Dr. S. M. Dammer), одного из авторов описываемой статьи.
Представление о «кухне» молекулярно-динамического моделирования может дать лекционный курс Ф. Эрколесси.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 
Конкурс ответов на детские вопросы. Участвовать могут все. Главный приз — цифровой фотоаппарат.

Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Предыдущие новости

13.06 У представителей меньшинства шансов выжить больше

Исследования выживаемости различных по окраске форм гуппи (мелких пресноводных рыбок, известных всем аквариумистам) в речках Центральной Америки показали, что шанс остаться в живых больше у тех гуппи, кто относится к редкой форме, а не массовой. Всё дело, по-видимому, в том, что хищные рыбы не склонны выбирать жертв, выглядящих необычно.

10.06 «Элементы» опубликовали большое интервью с Дэвидом Гроссом

В мае по приглашению фонда «Династия» Москву посетил нобелевский лауреат по физике 2004 года Дэвид Гросс. Центральным эпизодом его визита была публичная лекция о теории струн и ожидаемых революционных изменениях в теоретической физике. Перед лекцией Дэвид Гросс дал большое интервью для сайта «Элементы».

09.06 Кишечная микрофлора превращает человека в «сверхорганизм»

По мнению американских генетиков, человек вместе с живущими в его кишечнике микробами представляет собой единый «сверхорганизм». Обмен веществ этого сверхорганизма в значительной степени определяется ферментами, гены которых локализованы не в человеческих хромосомах, а в геномах симбиотических микробов.

08.06 Бойцовые собаки: гладиаторы или жертвы отбора?

Бойцовые собаки в процессе выведения утратили способность к коммуникации с сородичами и говорят на другом языке, чем другие собаки. Это одна из причин их неуправляемости и опасности для окружающих, считают специалисты по поведению животных.

07.06 Рост потребления водки — главная причина демографического кризиса в России

Российские социологи пришли к выводу, что главная причина сокращения численности населения в России в 1990-е годы — беспрецедентно высокий уровень потребления крепких спиртных напитков. Главными жертвами алкогольной политики стали мужчины трудоспособного возраста и лица без высшего образования.

06.06 «Хоббиты» были наследниками древней культуры

Археологи всесторонне изучили каменные орудия, изготовленные неведомыми древними обитателями острова Флорес 700–900 тысяч лет назад. Оказалось, что они весьма сходны с более поздними изделиями, найденными неподалеку в пещере Лианг-Буа вместе с костями «хоббитов» — карликовых людей Homo floresiensis.

06.06 Социальный конфликт среди дрожжей: трудяги и обманщики

Среди дрожжей есть штаммы «кооператоров», работающие медленно, но добросовестно: полностью окисляя глюкозу, они производят максимальное количество энергии. А есть дрожжи-«обманщики», которые очень быстро поглощают общий ресурс, и, получив сиюминутную выгоду, выбрасывают во внешнюю среду вредные промежуточные продукты своего обмена веществ.

05.06 Первым одомашненным растением был инжир

Израильские археологи обнаружили хорошо сохранившиеся остатки плодов инжира возрастом 11200–11400 лет. Судя по отсутствию семян, эта разновидность фигового дерева не могла размножаться без помощи человека. А значит, инжир был одомашнен ближневосточными земледельцами на 1000 лет раньше, чем злаки и бобовые.

05.06 Стекло способно восстанавливаться после облучения

Известково-силикатные стекла способны за несколько минут устранять микроразрушения, полученные ими при облучении электронным пучком. Открытие окажется полезным для технологии безопасного хранения радиоактивных материалов.
В избранное