Хоровод из капель

Показанный на фото хоровод тысяч микроскопических капелек вокруг крупной капли-прародительницы отдаленно напоминает кольца Сатурна. Схожесть, однако, только визуальная. Плоские капельные кольца — это результат необычного гидродинамического эффекта во внешнем электрическом поле, который был описан в статье Streaming from the Equator of a Drop in an External Electric Field, вышедшей на днях в журнале Physical Review Letters.

Столь сложную структуру авторы смогли получить простейшими манипуляциями. В емкость с касторкой они ввели каплю силиконового масла и включили сильное вертикально направленное электрическое поле напряженностью несколько киловольт на сантиметр. Обе жидкости примерно одинаковой плотности и очень вязкие, поэтому капля может свободно висеть в центре камеры. Однако у них разные диэлектрические проницаемости и разные проводимости (они, хоть очень плохо, но ток проводят). И в результате под действием внешнего электрического поля капелька поляризуется, а вокруг и внутри нее самой запускаются медленные вихревые течения.

В обычном случае это приводит к давно известному эффекту электроспрея. Течения на поверхности капли циркулируют от экватора к полюсам, а потом ныряют вглубь капли. Капля вытягивается вдоль поля и принимает веретенообразную форму. Ее концы заостряются, и в какой-то момент с них начинает либо вытягиваться микроскопическая струйка, либо идти поток столь же микроскопических капелек. Этот процесс встречается в природе (например, в грозовом облаке), а также широко используется в исследованиях и индустрии (масс-спектроскопия биологических молекул, производство порошков и т. п.).

Эффект электроспрея: последовательные этапы вытягивания микроскопической струи сильным электрическим полем из слабопроводящей вязкой жидкости. Фото из статьи R. T. Collins et al., 2007. Electrohydrodynamic tip streaming and emission of charged drops from liquid cones

Авторы новой статьи, подобрав подходящую комбинацию жидкостей, сумели поменять направление вихрей на противоположное. В таком «эффекте электроспрея наоборот» приповерхностные течения шли от полюсов капли к экватору, так что капля сплющивалась, принимала линзообразную форму. А дальше эти же течения вытягивали из капли на уровне экватора плоский кольцевой слой микроскопической толщины. Этот слой разбивался сначала на ровные концентрические кольцевые нити, а они, в свою очередь, рассыпались на отдельные капельки. В результате от исходной крупной капли послушно распространялся во все стороны плоский слой микроскопических капелек. На фотографии показан вид сверху на результат этого процесса через 1 секунду после включения поля:

«Эффект электроспрея наоборот»: плоский слой капель, вытянутых с экватора крупной капли внешним электрическим полем. Вид сверху. Фото из статьи Q. Brosseau, P. M. Vlahovska, 2017. Streaming from the equator of a drop in an external electric field

А здесь приведено детальное изображение края капли:

Структуры, возникающие в ходе описанного эффекта. Фото из статьи Q. Brosseau, P. M. Vlahovska, 2017. Streaming from the equator of a drop in an external electric field

Авторы работы подчеркивают несколько важных свойств этого эффекта. Во-первых, в отличие от обычного эффекта спрея, здесь капли получаются незаряженными: ведь заряды скапливаются на полюсах исходной капли, а микроскопические капельки вытягиваются с экватора, там, где зарядов нет. Во-вторых, процесс легко контролировать, запускать и останавливать. После выключения поля капля-донор возвращается к своей сферической форме, а сатурноподобные кольца остаются рядом (именно эта стадия показана на исходном изображении). В-третьих, капельки получаются на редкость одинаковые. Более того, их размером можно управлять, изменяя вязкость жидкости с помощью добавок. В целом, помимо нового симпатичного явления и красивых снимков, авторы продемонстрировали новый удобный технологический процесс для быстрой и контролируемой эмульсификации вязких жидкостей.

Фото с сайта mccormick.northwestern.edu.

Игорь Иванов