Российские ученые создали уникальный метод управления левитирующими каплями
Физики из Тюменского государственного университета научились исследовать микрочастицы жидкости в момент левитации, а также формировать нужные по размеру кластеры из упорядоченных микрокапель. Работа имеет фундаментальное значение для понимания процессов распространения загрязнений в окружающей среде и последующего предотвращения экологических катастроф. Статья с исследованием опубликована в авторитетном научном журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
В 2003 году ученые Тюменского государственного университета обнаружили явление самоорганизации капель воды в упорядоченные кластеры. Капли левитируют над поверхностью воды за счет восходящих потоков воздуха и находятся в стабильном состоянии до нескольких минут. Как только капля увеличивается в размерах за счет конденсации, она становится все более тяжелой, восходящие потоки уже не могут ее держать, капля "падает" в воду и кластер распадается. Все это происходит в тысячные доли секунды, и затрагивает сотни капель одновременно.
Ученые ТюмГУ научились удерживать капельные кластеры в течение нескольких часов, облучая их инфракрасным светом. Кроме того, теперь они умеют работать не только с горячими жидкостями (50-60 °C), но и с более холодными (27-30 °C), что открывает возможность изучения субстанций, связанных с жизнедеятельностью организмов.
Поясняет заведующий лабораторией микрогидродинамических технологий ТюмГУ, доктор технических наук Александр Федорец: "Мы создали технологию, которая позволяет исследовать процессы в каплях в лабораторных условиях. Условно говоря, мы можем каждой сгенерированной нами капельке аэрозоля присвоить номер, завести на нее паспорт и наблюдать за ней длительно. В природных аэрозолях, которым, например, является обычный туман, - такое наблюдение невозможно, потому что вы никогда не отследите поведение отдельно взятой капельки".
Аэрозолями называют не смешивающиеся и не реагирующие друг с другом химически (дисперсная система) взвешенные мелкие частицы. В природе из аэрозолей состоят облака, туман, дым (свободнодисперсные аэрозоли), пыль (грубодисперсные аэрозоли) и так далее. Аэрозоли образуются при механическом измельчении и распылении твердых тел или жидкостей: при дроблении, истирании, взрывах, горении, распылении в пульверизаторах. Поэтому ученым так важно знать, особенности химических и биологических процессов, протекающих в микрокаплях аэрозолей, - эти знания дадут возможность спрогнозировать природные явления и минимизировать загрязнение окружающей среды.
Капельки аэрозолей "работают" как химические реакторы микроскопических размеров с уникальными характеристиками. В этих "реакторах" происходят интереснейшие процессы: преобразование одних веществ в другие, - опасных в безопасные и наоборот. Если навести микроскоп на обычный туман, то можно увидеть совершенно хаотичную картину: капельки беспорядочно носятся, поэтому невозможно оценить, что происходит в отдельно взятой капле.
Уникальность технологии ТюмГУ в том, что ученые могут получить практически такие же капли, как в природном аэрозоле, но полностью контролировать их поведение. То есть эти капли могут быть подведены в поле зрения микроскопа и исследованы там. Это позволяет изучить природные процессы на совершенно новом уровне.
Последние достижения ученых ТюмГУ связаны с разработкой технологии сборки кластеров из заданного количества капелек. Это принципиально новые возможности управления процессом.
"Мы давно умели сами создавать кластеры, но они собирались из произвольного числа капелек, - как получится, так и получится, - объясняет Александр Федорец. - Сейчас же мы можем собирать кластеры из любого нужного нам количества. Такие кластеры проявили себя очень интересно. Классический кластер, который мы изучали, имел гексагональную структуру. Малые кластеры оказались гораздо разнообразнее. И каждый раз они формируются одинаково, каждая капля как будто бы знает свое место. Но, конечно же, это происходит не по магическим законам, - в воде нет носителя информации или воображаемого робота, который расставляет эти капельки в нужные структуры... Все происходит сообразно законам физики и геометрии пространства".
Формы, которые принимает кластер, оптимальны с точки зрения физики пространства. Таким образом обеспечивается самая плотная упаковка и стабильная структура кластера. Поэтому эти формы воспроизводятся автоматически.
На данный момент технология удержания и изучения микрокапель с возможностью формировать нужные кластеры существует только в Тюменском государственном университете.
Тюменский государственный университет - участник государственной программы поддержки крупнейших российских вузов "Проект 5-100", которая была запущена Министерством образования и науки в соответствии с указом президента "О мерах по реализации государственной политики в области образования и науки" для обеспечения качественного прорыва по повышению конкурентоспособности ведущих российских университетов.
