Феномен безперервного танцю: Як крапля силіконової олії кидає виклик поверхневому натягу

Дослідники з Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL) досягли значного успіху у вивченні динаміки рідин та взаємодії м'яких інтерфейсів. Працюючи в Лабораторії інженерної механіки м’яких інтерфейсів, вони експериментально підтвердили дивовижну здатність краплі силіконової олії, діаметр якої становить лише 1,6 міліметра, постійно відскакувати від твердої вібруючої поверхні. Цей процес, зафіксований при кімнатній температурі, тривав протягом п’яти хвилин, і, як припускають вчені, міг би продовжуватися значно довше. Це відкриття суттєво розширює наші поточні уявлення про фізичні механізми, що керують взаємодією між рідинами та твердими тілами, особливо в умовах динамічного навантаження.

Ключова відмінність цього експерименту від попередніх спостережень, де тривалий відскок вимагав наявності вібруючої рідкої ванни, полягає у використанні твердої пластини з атомарно гладкої слюди як опори. Науковці встановили, що поведінка краплі — чи то ритмічне підстрибування, схоже на баскетбольний м’яч, чи швидке ковзання на повітряній подушці — повністю залежить від точного налаштування частоти та амплітуди вібрації. Щоб надати відкриттю наукової обґрунтованості, команда розробила спеціальну модель — спряжену лінійну пружинну модель, яка прогнозує траєкторії відскоку, враховуючи деформацію самої краплі. Результати цієї новаторської роботи, що підтверджують її наукову вагу, були оприлюднені в авторитетному науковому виданні «Physical Review Letters».

Цей ефект являє собою кінетичний аналог добре відомого ефекту Лейденфроста. У класичному ефекті Лейденфроста пара створює подушку під краплею на гарячій поверхні. Однак у цьому випадку стабілізація макроскопічного явища на вражаюче тривалий термін досягається завдяки кінетичним силам, що виникають внаслідок вібрації твердої підкладки. Вчені зафіксували сценарій, коли при збудженні другого сферичного гармонічного моду крапля переходила у так званий «зв’язаний стан». У цьому стані її рух фіксується над тонким шаром повітря. Це підкреслює, що внутрішня структура рідини та її здатність до самодеформації є вирішальними факторами для підтримки цього керованого «танцю» на поверхні, забезпечуючи його стабільність.

Практична цінність цього наукового досягнення є беззаперечною, особливо для галузей, які вимагають найвищої точності та стерильності, наприклад, фармацевтичної промисловості або мікроелектроніки. Можливість маніпулювати мізерними об’ємами рідини в повітряному середовищі, повністю уникаючи ризику забруднення чи небажаного випаровування, відкриває абсолютно нові шляхи для розробки високоточних технологій мікродозування. Дослідники EPFL вже надали переконливий доказ застосовності, успішно здійснивши бічне керування рухом краплі. Вони використовували для цього спеціальні «пінцети» — крихітні струмені стисненого повітря. Цей успіх наочно демонструє потенціал активного спрямування та контролю цих мікроскопічних процесів у реальних промислових умовах, що є важливим кроком до створення нових технологій.