Физики пояснили странные танцы воды с пропиленгликолем

Если на поверхность хорошо очищенного стекла нанести несколько капель жидкого пищевого красителя, они начинают хаотичное движение, а некоторые капли могут сливаться, тогда как другие словно играют в догонялки. Выявить это авторы новой работы сумели еще в 2009 году, но пояснить механизм этого явления они сумели лишь через несколько лет.

Пищевой краситель как правило включает воду и полиэтиленгликоля (ПЭГ). На поверхностях с высокой энергией - которые легко связываются с жидкостью, а не отталкивают ее - и чистая вода, и концентрированный ПЭГ не формируют капли, а растекаются. Тем не менее, их смеси формируют четкие капли, причем происходит это в широком диапазоне концентраций. Капли, тем не менее, распадются, если в атмосфере 100-процентная влажность.

Авторы статьи поместили в капли микроскопические частицы-трейсеры и изучили внутреннее движение жидкости. Выяснилось, что капли образуются в динамическом процессе, который управляется испарением воды. Он начинается лишь тогда, когда из двух компонентов жидкости у одного одновременно и больший коэффициент поверхностного натяжения, и большая способность к испарению.

В итоге вода в основном испаряется по краям капли, что меняет концентрацию ПЭГ - в центре его меньше, чем по краям. Это провоцирует циклические токи в капле - она "стягивается", поднимаясь над покрытием. Токи меняются от парциального давления пара, потому если рядом есть другая капля с испаряющейся водой, их потянет друг к другу.

Тем не менее, столкновение двух капель с разной концентрацией ПЭГ не приводит к их смешиванию. Вместо этого одна капля начинает "гнаться" за другой. Это вызвано низкой скоростью диффузии и разными темпами испарения с поверхности капель с разной концентрацей ПЭГ.

Кроме фундаментального значения для науки, открытие может найти применение в популярном нынче направлении микрофлюидики при создании лабораторий-на-чипе.