Взаимодействие жидкостей во время химической реакции напоминает кольца табачного дыма
 Взаимодействие двух жидкостей, сопровождающееся самоподдерживающейся химической реакцией, может порождать фигуры наподобие колец табачного дыма. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Когда две различные жидкости смешиваются при определенных внешних условиях, граница между ними может подвергаться серьезной деформации. Классический пример этого явления – неустойчивость Рэлея-Тейлора, возникающая, когда более плотная жидкость смешивается с менее плотной, благодаря силе тяжести (при условии, что более тяжелая жидкость расположена над менее тяжелой). Подобные явления наблюдаются в природе: в атмосфере, океане, в звездах. Данная неустойчивость изучена достаточно хорошо, однако, как было отмечено выше, она не подразумевает какого-либо химического взаимодействия между непрерывными средами. Таким образом, исследователи знают крайне мало о процессах, происходящих в жидкостях, если «на сцену» выходят химические реакции между ними.
Одна из разновидностей процесса смешивания, сопровождающегося химическими реакциями, - самоподдерживающаяся реакция, катализатором для которой служат продукты этой же реакции. В этом случае, как только на границу между двумя различными жидкостями вводится небольшое количество катализатора, реагенты вступают в реакцию и производят своего рода волновой фронт, увеличивающийся в объеме. Ранее ученые уже исследовали перемещение этого «волнового фронта» вверх или вниз внутри тонких трубок диаметром порядка 1 мм. Однако существовал вопрос, как жидкости поведут себя, если площадь взаимодействия будет больше.
Чтобы ответить на этот вопрос, группа исследователей из University of Toronto (Канада) провела аналогичные исследования в прозрачных цилиндрах диаметром 9 см. При различных условиях «фронт» формировал вертикальную трубку, увеличивающуюся в размерах со скоростью несколько см в минуту. Определенные внешние условия позволяли трубке формировать на конце нечто вроде «шляпки гриба», и, впоследствии, несколько колец, наподобие колец от табачного дыма. Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review E.
По мнению ученых, ключ к данному явлению – плавучесть продуктов реакции, которые являются менее плотными и более теплыми, чем первоначальный раствор. Стоит отметить, что первые подобные результаты были получены еще в 2005 году, сейчас же исследователи подтвердили эксперимент; дополнили свою работу теоретическим обоснованием и рядом вычислительных экспериментов. Безусловно, исследования должны продолжиться, в том числе и с применением компьютерного моделирования.
Исследователи считают, что в природе могут обнаружиться самые разнообразные практические приложения новых знаний. Например, похожие явления ожидаются в потоках раскаленной породы глубоко под землей или на океанском дне.
Также по теме:
Источники: