Группа ученых из Франции показала, что можно управлять каплей из парамагнитной жидкости с помощью магнитного поля при комнатной температуре. Используя каплю жидкого кислорода, они показывают, что ее траекторией падения можно управлять с помощью магнита. Эта работа может помочь в развитии высоко гидрофобных материалов, а также в изучении механических систем с очень низким коэффициентом трения.
Пар смягчает
Исследуемые капли, являются примером капель Лейденфроста. Эффект Лейденфроста наблюдается, когда жидкость входит в контакт с поверхностью, имеющей значительно более высокую температуру, чем температура кипения жидкости. Это создает изолирующий слой пара, который предохраняет капли от быстрого испарения. В связи с отсутствием контакта между каплей и поверхностью, трение с системе существенно снижено, что делает капли очень подвижными и трудно управляемыми. Более того, такие системы могут рассматриваться в качестве крайне гидрофобных систем, в которых жидкость сложно отделена от твердой поверхности.
Хотя эта "жидкая левитации" была обнаружена в 1960-х годов и используется в некоторых прикладных отраслях, как явление фундаментальной физики оно не изучено. В самом последнем исследовании, Дэвид Куэре (David Quéré) и его коллеги из Политехнической школы в Palaiseau рассмотрели силы, управляющие каплями жидкого кислорода, который кипит при -183°C. Они создали методы управления движением капель, а также изучали, как капли взаимодействуют с магнитным полем. Исследования вытекают из предыдущих исследований этой группы и других, которые рассматривали развитие текстурированных поверхностей, которые производят Лейденфростовские капли движущиеся сами по себе с очень большой скоростью во всех направлениях.
Парящие капли
Изюминкой этого последнего исследования является открытие, что каплями можно управлять с помощью простого холодного магнита. В ходе эксперимента исследователи производят капли жидкого кислорода, вливая литр жидкого азота в металлический контейнер. "Кислородные капли формируются в виде конденсата на внешней поверхности контейнера", объясняет Куэрэ. "Кроме того, что это очень простой процесс, интересно и то, что вы на самом деле «видите» кислород", говорит он. После изготовления капель, исследователи поместили их на стеклянные пластинки, с магнитом под ними.
Они обнаружили, что магнит оказывал сильное влияние на движение капель. Дэвид Куэрэ описывает взаимодействие как "забавное". "Эта система могла бы почти описывать небесную механику. Магнит действует как Солнце и определяет траекторию капель, которые ведут себя как планеты. Но взаимодействие даже лучше, так как мы не просто видим эллиптические орбиты. Мы видим капли, выписывающие сложные траектории, образуя петли еще до отрыва", объясняет он.
Ваяние капель
Другой интересный аспект взаимодействия возникает, когда капля проходит непосредственно над магнитом. Исследователи обнаружили, что капля замедляется, и почти захватывается полем. Когда она вырывается, то форма ее искажается. Куэрэ указывает, что это интересно в более широком физическом контексте, потому что деформация вызвана передачей кинетической энергии. "Подобно тому, как дождевая капля падает на землю, она теряет большую часть своей энергии, так как она деформируется при ударе. Это передача энергии интересна и зависит от многих параметров", говорит Куэрэ. Он сказал для physicsworld.com, что новый подход открывает путь к изучению таких деформаций в системе с незначительным трением.
Исследователи могут менять амплитуду этих деформаций за счет изменения силы захвата ловушки - просто передвигая магнит ближе или дальше от пластинки. Куэрэ говорит, что исследователи рассмотрели несколько способов использования магнитов для "ваяния" капли - например, с помощью кольцевого магнита, чтобы получить тороидальную каплю. Затем исследователи удаляют магнит и изучают каплю в форме такого бублика, пока она снова закроется.
Гравитационная рогатка
Кроме того, группа смогла ускорить выход капель из ловушки, используя метод, который обычно используется, чтобы изменить скорость космического аппарата с помощью гравитации планеты или луны,- так называемой техники гравитационной помощи или «гравитационной рогатки».
"Мы считаем, что эта система является отличным способом для изучения сложной небесной механики, в которой гравитационное воздействие заменяется магнитным", говорит Куэрэ. "Это похоже на кусочек неба!" Он также говорит, что работа будет способствовать дальнейшему развитию несмачивающих технологий в микро-технике, где вода и масло движутся по одному тому же каналу, но не должны прикасаться.
Статья должна быть опубликована в
Physical Review E.