Потоки газа помогают нанопузырькам существовать много дольше, чем предсказывали ранние теории
 Движение одиночных молекул внутри нанопузырька газа на твердой поверхности в жидкости. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
В отличие от давления в обычных пузырях воздуха, которое лишь немного превышает атмосферное, известно, что внутри нанопузырей газа устанавливается давление в десятки или даже сотни атмосфер. При таком высоком давлении традиционная модель диффузии предполагает, что молекулы газа из этих нанопузырьков должны мгновенно поглощаться окружающей жидкостью. Поэтому, когда подобные наноструктуры были впервые обнаружены на эксперименте около 10 лет назад, научный мир задался вопросом, почему нанопузырьки остаются стабильными в течение длительного времени, вплоть до нескольких недель. Данная проблема является одной из фундаментальных, т.к. на данный момент, не имея достойного объяснения, противоречит с основами гидродинамики. Однако новые расчеты и эксперименты группы ученых из University of Twente (Нидерланды) демонстрируют возможную причину столь странного феномена.
Опубликованная учеными в журнале Physical Review Letters теория основывается на двух определяющих физических свойствах системы. Во-первых, нанопузырьки газа имеют размеры порядка 1 мкм в диаметре (при высоте в 20 нм), т.е. они настолько малы, что молекулы газа путешествуют от одной стенки пузырька до другой, как правило, не испытывая столкновений с другими молекулами. Во-вторых, молекула газа, столкнувшаяся со стенкой пузырька, скорее всего, отскочит от нее в перпендикулярном направлении.
Согласно опубликованной работе, молекулы газа двигаются между твердой поверхностью, на которой расположен нанопузырек, и границей раздела фаз (газа и жидкости). Т.к. молекулы не сталкиваются по пути между собой, когда они приближаются к границе раздела фаз, их скорости направлены примерно в одном направлении. Ударяясь о границу раздела фаз, они передают молекулам жидкости некий импульс, в результате чего жидкость около поверхности приходит в движение в направлении от твердой поверхности, на которой расположен пузырек. Газовые молекулы увлекаются этим потоком, перемещаясь, таким образом, к вершине нанопузыря. В этой точке поток жидкости «отрывается» от границы раздела фаз, по круговой траектории возвращаясь к твердой поверхности. Молекулы газа, дойдя до твердой поверхности, не увлекаются этим потоком в бесконечное круговое движение, а «прилипают» к границе раздела фаз, возвращаясь затем обратно в пузырек. И так процесс повторяется.
Для проверки своей теории ученые использовали атомно-силовой микроскоп, позволивший обнаружить на вершине пузырька поток жидкости, направленный перпендикулярно его вершине. Теоретические расчеты предсказывали присутствие в этой точке силы, направленной вверх и равной примерно 1 нН; эксперимент позволил обнаружить эту силу, но ее величина оказалась несколько больше, чем предсказывалось – 1,3 нН.
Результаты эксперимента показывают наличие силы, но не доказывают непосредственно весь описанный процесс. Поэтому некоторые коллеги не согласны с выводами команды. К примеру, один из сотрудников University of Sydney (Австралия) утверждает, что эта теория противоречит основам термодинамики. В ближайшее время группа ученых из Нидерландов планирует получить более полные доказательства, путем добавления к «фонтанирующему» потоку «маркеров» - наночастиц, которые могли бы отразить микротечения жидкости.
Помимо ответа на фундаментальные вопросы гидродинамики, своим исследованием ученые планируют открыть новые страницы микрофлюидики, где нанопузырьки, расположенные на поверхности каналов, по которым распространяется жидкость, могли бы облегчить ее транспорт.
Также по теме:
Источники: