Niechlujne, błotniste kałuże tworzone przez letnie burze zawdzięczają swoje granice zanurzeniu w chodniku lub ziemi. Ale jeśli kieliszek wina wyleje się na (hipotetycznie) idealnie płaski blat, co powstrzyma kałużę przed rozłożeniem się na zawsze? Do tej pory opis przepływów płynów przez fizyków nie był w stanie wyjaśnić, dlaczego kałuże się zatrzymują.
Odpowiedź mają naukowcy z Massachusetts Institute of Technology, informuje Charles Q. Choi z Inside Science .
Korzystając z klasycznego modelu, fizycy opisaliby rozprzestrzenianie się cieczy w wyniku „rywalizacji między grawitacją a napięciem powierzchniowym”, pisze Choi. Grawitacja ściąga ciecz i rozprowadza kałużę, podczas gdy napięcie powierzchniowe, w którym cząsteczki ściśle przylegają do siebie, powoduje powstawanie kropelek.
Ale podczas gdy klasyczny model może być użyty do wyjaśnienia ostatecznego kształtu kałuży, nie wyjaśnia to, w jaki sposób kałuża zaczęła się rozprzestrzeniać. Obliczenia sugerują natomiast, że siły na krawędzi kałuży byłyby zbyt duże, aby w ogóle mogły się rozprzestrzeniać. „W makroskopowym ujęciu tego problemu nic nie powstrzymuje rozprzestrzeniania się kałuży. Czegoś tu brakuje ”- wyjaśnia Amir Pahlavan, absolwent MIT w komunikacie prasowym.
Oczywiście kałuże się rozprzestrzeniają, więc fizycy poprawiają swój model, aby wyjaśnić dlaczego. Michael Schirber pisze dla APS Physics :
Jednym z popularnych rozwiązań jest założenie, że cienki mikroskopijny film pokrywa powierzchnię przed kałużą. Takie folie prekursorowe zaobserwowano w przypadku kałuż, które rozszerzają się całkowicie do cienkiego płaskiego arkusza - tak zwanego przypadku „całkowitego zwilżenia” - ale nie mogą wyjaśnić kałuż, które rozprzestrzeniają się na niewielką odległość, a następnie zatrzymują się (częściowe zwilżanie).
Teraz Pahlavan i jego koledzy zorientowali się, co powstrzymuje kałużę - siły działające w nanoskali. Naukowcy rozważali film o grubości mniejszej niż 100 nanometrów, w którym zaczyna działać coś zwanego siłą van der Waalsa. Ta interakcja opisuje zjawisko, w którym chmura elektronów buczących wokół atomu losowo fluktuuje, a ich ładunek ma tendencję do gromadzenia się w jednym obszarze cząsteczki, tworząc obszary lekko dodatnie i nieznacznie ujemne. Sąsiednie cząsteczki robią to samo, w wyniku czego cząsteczki są przyciągane lub odpychane przez siebie.
Siły te, działając w cieczy, powietrzu wokół kałuży i powierzchni, na której kałuża się znajduje, są wystarczające, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się kałuży, niezależnie od jej wielkości. Naukowcy opublikowali swoje wyniki w czasopiśmie Physical Review Letters .
Ich model może mieć zastosowanie do wielu rzeczy, od chłodzenia elektroniki poprzez przepływanie przez nią cieczy do sekwestrowania dwutlenku węgla pod ziemią (niektóre plany obejmują wstrzykiwanie cieczy obciążonej dwutlenkiem węgla do porowatej skały). Ale w przypadku tych zastosowań naukowcy będą musieli rozszerzyć model, aby wyjaśnić, w jaki sposób ciecze przepływają po szorstkich powierzchniach. „Prawdziwa powierzchnia nigdy nie jest całkowicie płaska i gładka”, mówi Pahlavan dla Choi dla Inside Science . „[T] zawsze należy wziąć pod uwagę szorstkość, która powoduje powstanie wielu nowych funkcji.”
