Крапля олії деформувала замерзаючу воду не в той бік

Фізики проспостерігали, як замерзає вода з краплями силіконової олії, і виявили, що при великій швидкості фронту замерзання (близько 1,6 мікрометра в секунду) крапля олії деформує лід, ніби вдавлюючись у нього замість того, щоб виштовхнути назовні. Таку, на перший погляд, парадоксальну взаємодію стороннього включення та рідини, що твердіє, вчені пояснили тепловим ефектом Марангоні. Результати дослідження опубліковані у журналі Physical Review Letters.

Коли вода, що містить домішки та включення (наприклад, бульбашки повітря або пісок), замерзає, то зазвичай сторонні частинки або стають частиною льоду, або витісняються назовні фронтом замерзання. Умови, від яких залежить поглинання або виштовхування домішки, залежать від взаємодії між самою часткою і хвилею затвердіння, що рухається. На молекулярному рівні ця взаємодія контролюється силами Ван-дер-Ваальса та перебігом рідини у тонкій плівці навколо частки. У той самий час на макрорівні головну роль грає теплообмін між включенням і навколишнім речовиною, у своїй сама дисперсна частка відчуває деформацію через різницю між теплопровідністю стороннього об'єкта і рідини навколо. Вивчаючи подібну фізичну модель, вчені з'ясували ще один примітний факт — для твердого включення деформація не залежить від того, як швидко наближається фронт замерзання, а деформація льоду, що утворюється, спрямована в бік частинки.

Паллав Кант (Pallav Kant) з Манчестерського університету спільно з колегами з Великобританії, Німеччини та Нідерландів виявив парадоксальну поведінку краплі олії, поміщеної в воду, що замерзає: замість того, щоб бути витісненою або поглиненою рідиною, вона деформувала твердіючу рідину.

Для проведення експерименту вчені використовували дві прозорі пластини, розташовані паралельно один одному на відстані 200 мікрометрів, простір між якими заповнили емульсією силіконової олії у воді, сформувавши таким чином встановлення течії Хеле-Шоу. Щоб стабілізувати суміш і уникнути непередбачених змішувань олії з водою, експериментатори додали поверхнево-активну речовину, частка якої склала одну соту відсотка від обсягу підсумкової суміші. Температурний градієнт вчені створили за допомогою переміщення осередку з водою та олією через холодильну установку, в якій поступову зміну температури забезпечили кількома елементами Пельтьє.

З'ясувалося, що при низькій швидкості руху (близько 0,4 мікрометра в секунду) осередки Хеле-Шоу через холодильну установку (і відповідно, повільному утворенні фронту замерзання) спочатку плоска межа затвердіння деформувалася у бік краплі, ніби притягуючись до неї, що повністю збіглося. з теоретичними передбаченнями: теплопровідність краплі силіконової олії нижче, ніж у води, тому тепловий потік вибрав шлях найменшого термічного опору, уникаючи самої домішки та відхиляючи ізотерми, які легко перебувають із рівняння теплопровідності для малих чисел Пекле.

При швидкості фронту замерзання в 0,9 мікрометра в секунду останній залишався плоским у міру наближення до краплі, а при швидкості в 1,6 мікрометра в секунду крапля вдавилася в твердий лід, що утворився. Такий несподіваний результат фізики пояснили наступним чином: при швидкому зменшенні температури коефіцієнт поверхневого натягу силіконової олії змінюється дуже різко, тому передня частина краплі відчуває велику силу поверхневого натягу, що у свою чергу викликає міжфазний перебіг, який захоплює рідину від тепліших областей до холодних — так званий тепловий потік Марангоні

Автори роботи зазначили, що отримані результати мають стати корисними у матеріалознавстві для контролю процесів, що визначають відторгнення або захоплення частинок при затвердінні багатофазного середовища.

Взаємодія водяного льоду та сторонніх частинок не вперше стало об'єктом дослідження. Про те, як зовнішні домішки зменшили льодову адгезію на поверхнях, ми писали раніше.

Від DrMoro