Кубанский государственный технологический университет

Жидкости способны полностью изолироваться от несмачиваемых поверхностей

06-11-2011
Капля жидкости, покоящаяся на сильно гидрофобной поверхности, не только «собирается в шарик», но сама и изолирует себя от контакта с поверхностью, создавая моноатомную газовую прослойку (изображение из статьи cond-mat/0510687) Компьютерное моделирование свойств жидкости вблизи гидрофобных поверхностей, выполненное голландскими исследователями, показало, что жидкость способна сама создавать газовую прослойку и изолироваться от контакта со стенкой. При течении по гидрофобным трубам возникает новое гидродинамическое явление — проскальзывание жидкости.

Давно известно, что структура и свойства твердых и жидких тел в толще среды и на поверхности могут существенно различаться. Например, такие явления, как плавление льда или окисление некоторых металлов начинаются на свободной поверхности тел при гораздо более низких температурах, чем «номинальные» точки плавнения и окисления всей толщи образца. Происходит так потому, что атомы на свободной поверхности имеют меньше связей с соседями, а значит, им труднее сохранять свою первоначальную кристаллическую структуру.

Противоположная ситуация наблюдается внутри жидкости, вблизи стенок сосуда.

Твердая поверхность оказывает упорядочивающий эффект на жидкость и как бы кристаллизует прилегающую непосредственно к ней тонкую прослойку жидкости.

Недавние эксперименты, однако, показали, что структура жидкости в непосредственной близости твердой поверхности еще хитрее. В обычных условиях в жидкостях всегда в небольших количествах присутствуют растворенные газы. Так вот, выяснилось, что стенка эти молекулы газа притягивает, собирает на себе. Даже инертный газ, который, по идее, не образует никаких химических связей, тем не менее мигрирует из толщи жидкости и оседает на стенке. Этот эффект особенно ярко выражен для гидрофобных (то есть несмачиваемых, водоотталкивающих) поверхностей: в этом случае на поверхности даже образуются крохотные пузырьки газа.

В принципе, в этом поведении нет ничего загадочного. Жидкость с растворенным в ней газом стремится минимизировать свою энергию. Для водоотталкивающей поверхности энергия связи молекул жидкости со стенкой заметно меньше, чем друг с другом. В результате получается, что вблизи стенки выгодно держаться именно атомам инертного газа, а не молекулам жидкости. Однако на этих общих словах понимание и заканчивается: подробной теории этого эффекта пока нет.

В такой ситуации очень полезным оказалось численное моделирование, проведенное двумя физиками из Университета Твенте (Нидерланды). В их статье S. M. Dammer and D. Lohse, Physical Review Letters, 96, 206101 (24 May 2006), доступной также как cond-mat/0510687, молекулы жидкости, стенки и атомы инертного газа моделируются круглыми шариками, взаимодействующими по очень простому закону притяжения на больших расстояниях и отталкивания на малых. Переходить от гидрофильной к гидрофобной поверхности можно, изменяя энергию связи между «атомами» стенки и «атомами» жидкости: чем слабее связь со стенкой, тем более водоотталкивающей является поверхность. Несмотря на чрезвычайную простоту такой модели, выяснилось, что в ней наблюдаются все основные зависимости, обнаруженные экспериментально.

Для начала голландцы изучили поведение чистой жидкости, без примеси газа, на примере лежащей на твердой поверхности маленькой капельки из десятка тысяч атомов. Они смоделировали лишь долю микросекунды «жизни» капли, но и этого оказалось достаточным, чтобы проследить за возникновением капиллярных сил, найти зависимость краевого угла (угла между краем капли и твердой поверхностью) от гидрофобности стенки и, самое главное, доказать, что первые 2-3 атомных слоя вблизи твердой поверхности действительно почти кристаллизуются.

Затем в жидкость было добавлено небольшое количество атомов газа. Моделирование показало, что атомы газа действительно мигрируют к поверхности. Более того, в случае сильно гидрофобной поверхности жидкость вообще не касается стенки: их разделяет моноатомный слой инертного газа (см. рисунок; концентрация газа на графике показана красной линией). Можно сказать, что жидкость сама себе создает «воздушную подушку»: если ее налить в пробирку, то она сама выстелет внутренние стенки газовой прослойкой, изолируясь от сосуда.

Последнее замечание оказалось имеющим далеко идущие последствия. Газовая прослойка, как выяснилось, не просто уменьшает силу трения жидкости о стенку, а приводит к совершенно новому явлению: проскальзыванию жидкости относительно стенок. Это означает, что скорость течения жидкости в потоке, конечно, уменьшается вблизи гидрофобной стенки, но не падает до нуля, как до сих пор всегда молчаливо подразумевалось. Явление проскальзывания, фактически, открывает целую новую главу в гидродинамике — одной из самых старый областей физики. Возможно что дальнейшее изучение таких ситуаций приведет к открытию новых эффектов, принципиально невозможных без проскальзывания.

См. также: Подробнее об этих исследованиях можно почитать на страничке Стефана Даммера (Dr. S. M. Dammer), одного из авторов описываемой статьи. Представление о «кухне» молекулярно-динамического моделирования может дать лекционный курс Ф. Эрколесси.

Игорь Иванов

‹‹