Создан жидкий «плёночный двигатель»

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. Рис. из обсуждаемой статьи

Иранские физики провели эксперимент, в котором наблюдали вращение плёнки жидкости под действием приложенного к ней напряжения и внешнего электрического поля, величины которых превышают некоторое пороговые значения. Устройство, которое ученые назвали «плёночным двигателем», может найти промышленное применение в жидкостных центрифугах и разнообразных смешивающих приспособлениях.

В последние годы возродился интерес к изучению явлений, происходящих в плёнках различных жидкостей. Вообще говоря, изучение плёнок жидкости — это лишь небольшая часть огромного и интересного раздела, именуемого физика поверхности, в котором рассматриваются явления на границе двух смежных областей. Если же на плёнку еще и действуют химические, электрические, тепловые и т. д. факторы, то плёночная система может проявлять необычные свойства, связанные с разнообразнейшими динамическими процессами в ней. К таким свойствам относится, например, двумерная турбулентность. При изучении поверхностных явлений в жидкостях особый интерес представляет вода. «Элементы» уже писали о необычной кристаллизации плёнок воды в электрическом поле при комнатной температуре и вообще о сложной молекулярной структуре H₂O.

Недавняя публикация в Архиве электронных препринтов под названием A Liquid Film Motor посвящена любопытному электрогидродинамическому поведению тонких водных плёнок. Иранским физикам удалось поставить эксперимент, схематический рисунок которого представлен выше.

В специально вырезанном прямоугольном отверстии находится плёнка воды, в которой растворено небольшое количество глицерина и моющего средства. Эти примеси необходимы для того, чтобы сделать плёнку более устойчивой и тонкой, вплоть до микро- и наномасштабов. На медные электроды, которые хорошо смачиваются водой и располагаются «по бокам» исследуемой системы, подается напряжение V. Сама же плёнка расположена между пластинами конденсатора (на рисунке он не показан) и, таким образом, подвержена воздействию электрического поля с заданной напряженностью E. В принципе, ничто не запрещает проводить эксперимент с чистой водной плёнкой, но в этом случае время ее жизни из-за электрических эффектов может оказаться существенно ниже.

Итак, что же наблюдалось? Если прикладываемые значения напряжения V и напряженности электрического поля E превышают некоторые пороговые значения V_th и E_th (th — от слова threshold «порог»), плёнка начинает вращаться (рис. 2; см. также видео). При этом скорость и направление ее вращения можно контролировать, увеличивая или уменьшая внешнее электрическое поле и напряжение, но не опускаясь ниже пороговых значений V и E.

Рис. 2. b — вращающаяся плёнка; интерференция возникает вследствие неоднородной толщины плёнки. c — граничные условия также играют существенную роль: если ячейка представляет собой достаточно вытянутый прямоугольник, то возникают два вихря с одинаковым направлением вращения (см. видео). d — плёнка, разделенная на несколько частей изолирующим слоем хлопковой нити; во всех ячейках угловая скорость и направление вращения вихрей одинаковые, что подтверждает независимость от электрохимических процессов на границе с медными контактами. Длина масштабной линейки на всех трех рисунках 1 см. Изображения из обсуждаемой статьи

Эксперимент показал, что пороговые значение напряжения и электрического поля связаны между собой. Для проверки этой гипотезы было зафиксировано значение одного из параметров и плавно увеличивалось значение другого до тех пор, пока плёнка не начинала вращаться. На рис. 3 представлен в логарифмическом масштабе график зависимости пороговой напряженности электрического поля E_th от порогового значения электролитического напряжения V_th.

Рис. 3. Зависимость порогового значения напряженности электрического поля (ось ординат) от порогового электролитического напряжения для различных массовых долей с глицерина. Черные квадраты соответствуют с = 0,1, красные круги — с = 0,3, синие треугольники — с = 0,5. Рис. из обсуждаемой статьи

Как видно, зависимость линейная, а значит, выполняется соотношение E_thV_th = const. Константа зависит от профиля плёнки, то есть от того, насколько неоднородно распределена ее толщина.

Также было установлено, что угловая скорость вращения плёнки пропорциональна векторному произведению плотности электролитического тока и напряженности электрического поля . Угловая скорость, как и ожидали исследователи, монотонно возрастает с увеличением угла между векторами и достигает своего максимального значения, когда они перпендикулярны друг другу. Более того, угловая скорость вращения плёнки неоднородна — в центре вихря она больше, чем на краях (рис. 4).

Рис. 4. Угловая скорость вращения плёнки монотонно уменьшается с увеличением расстояния от центра вихря. Красные кружки соответствуют измерению угловой скорости через 45 с после начала вращения плёнки, синие треугольники — через 7 минут. Рис. из обсуждаемой статьи

Поскольку плёнка не содержит никаких магнитных примесей, возникает логичный вопрос о механизме вращения жидкости. Предположение о том, что за образование вихревой природы вращения плёнки, возможно, ответственны ионы, не получает подтверждения, так как добавление соли (и, тем самым, повышение проводимости) лишь незначительно увеличивает угловую скорость вращения, хотя электропроводность при этом повышается на порядок. Возможное объяснение вращения, связанное с электрохимическими эффектами на границе медных электродов и плёнки, авторы также отбрасывают, приводя контраргумент с делением плёнки на несколько частей и последующей их изоляцией (рис. 2d; см. также видео): угловая скорость вращения вихрей в центральных ячейках ничуть не отличается от аналогичного показателя вблизи электродов.

Согласно гипотезе авторов, вращение плёнки связано с молекулярным устройством вещества. Каждую молекулу абсолютно любого вещества можно представить в виде диполя.

Диполь — это равные по модулю и противоположные по знаку заряды, разделенные некоторым расстоянием, называемым плечом диполя (рис. 5), при этом каждый диполь характеризуется дипольным моментом — произведение модуля заряда на плечо диполя.

Рис. 5. Распределение электрического поля диполя. Рис. с сайта en.wikipedia.org

Чем больше дипольный момент молекулы, тем более она полярна. Равное нулю или близкое к нулю значение дипольного момента говорит о том, что молекула неполярна. Примером ярко выраженной полярной молекулы может служить молекула HCl, состоящая из положительно заряженного иона водорода и такого же по модулю заряда, но противоположного по знаку иона хлора. Простейшие примеры неполярных молекул — молекула водорода H₂, азота N₂, кислорода O₂ и др.

Выбор воды как главного объекта исследований здесь неслучаен, поскольку её молекула обладает наибольшим дипольным моментом, а потому экспериментальное наблюдение явления становится более «удобным». Исследования на других жидкостях с полярными молекулами, таких как анилин, хлорбензол и др., тоже показывают вращение плёнки, в то время как у жидкостей с неполярными молекулами (например, у 1-додецена) вращения плёнки не происходит.

Несмотря на различие в плотностях, коэффициентах вязкости, удельной проводимости разных по составу полярных жидкостей, пороговые значения напряжения и электрического поля у них приблизительно одного порядка. Это, как считают авторы, ещё один аргумент в пользу «дипольной» гипотезы вращения плёнки. Однако четкой и грамотной теоретической модели, способной объяснить наблюдаемое явление, у исследователей, по-видимому, пока что нет.

Источник: A. Amjadi, R. Shirsavar, N. Hamedani Radja, M. R. Ejtehadi. A Liquid Film Motor // препринт arXiv:0805.0490 (5 May 2008).

См. также:
DC Water Film Motor — страничка, посвященная жидкому плёночному двигателю, на сайте иранской исследовательской группы Soft Condensed Matter Group.

Юрий Ерин