Физики зажали каплю между эластичными пленками и сделали ее квадратной

18 декабря 2018
remove_red_eye33

Физики изучили форму капли, зажатой между двумя эластичными пленками, растягиваемыми в двух перпендикулярных направлениях. Оказалось, что в этом случае закон Юнга-Дюпре, который определяет контактный угол, нужно модифицировать, добавив к поверхностному натяжению механическое. Регулируя величину и направление растягивающих сил, ученые получили капли не только круглой, но цилиндрической и даже квадратной формы. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Как и все физические системы, капля воды всегда стремится уменьшить свою полную энергию. Когда капля парит в невесомости, единственным параметром, который определяет ее энергию, является площадь поверхности — поэтому капля старается уменьшить поверхность как можно сильнее и сворачивается в шарик. Если же положить каплю на твердую подложку, расстановка сил немного изменится, поскольку энергия мокрой и сухой поверхности отличается. В этом случае энергия системы разбивается на три важных части: энергию поверхности вода-воздух, вода-подложка и подложка-воздух. В зависимости от отношения коэффициентов поверхностного натяжения воды и подложки, угол смачивания будет получаться разным, и вместе с ним будет изменяться форма капли. Эта зависимость описывается законом Юнга-Дюпре, который связывает поверхностное натяжение всех трех поверхностей. Тем не менее, при прочих равных круглая капля будет занимать наименьшую площадь, а потому вода всегда принимает форму сплюснутого сферического сегмента (если бы не было силы тяжести, сегмент был бы идеально ровным).

Пленки физики изготавливали из эластолана(Elastollan TPU 1185A, BASF) или сополимера стирен-изопрен-стирена(SIS). Для этого ученые помещали кремниевую или слюдяную подложку в раствор циклогексанона и толуола, а потом раскручивалина центрифуге и отжигали при температуре около 100–150 градусов Цельсия. Конечная толщина пленок составляла 150–1700 нанометров (эластолан) или 550–3000 нанометров (SIS). Затем ученые помещали каплю на пленку и накрывали ее пленкой из такого же материала (для упрощения граничных условий). В качестве жидкостей ученые использовали глицерин или полиэтилен-гликоль, радиус капель менялся в диапазоне 30–300 микрометров. Более мелкие капли быстро испарялись, и ученые их не рассматривали. Таким образом, исследователи получили четыре разных пары жидкость—пленка. Кроме того, физики растягивали пленки — либо изотропно (с одинаковой силой во все стороны), либо в направлении двух перпендикулярных осей (с разными силами). Чтобы оценивать силу натяжения было легче, ученые растягивали пленки не слишком сильно — так, чтобы закон Гукаработал на протяжении всего опыта.