Кластер капель
Кластер капель представляет собой самоорганизующийся левитирующий монослой микрокапель, обычно образующих гексагонально упорядоченную структуру над локально нагретым тонким (около 1 мм) слоем воды. Кластер капель типологически подобен коллоидным кристаллам . Впервые явление наблюдалось в 2004 году. [1] и после этого он был тщательно изучен. [2] [3]
Растущие конденсирующиеся капли типичным диаметром 0,01–0,2 мм левитируют на равновесной высоте, где их вес уравновешивается силой сопротивления восходящей струи пара, поднимающейся над нагретым пятном. В то же время капли тянутся к центру нагретого пятна; однако они не сливаются, образуя упорядоченный гексагональный (плотно упакованный) узор из-за аэродинамической силы отталкивания потока газа между каплями. Пятно обычно нагревается лазерным лучом или другим источником тепла до 60–95 °С, хотя явление наблюдалось и при температуре чуть выше 20 °С. [4] Высота левитации и расстояние между каплями того же порядка, что и их диаметры. [5]
Из-за сложного характера аэродинамических сил между микрокаплями в восходящей струе капли не сливаются, а образуют плотноупакованную гексагональную структуру, имеющую сходство с различными классическими и вновь открытыми объектами, в которых выражена самоорганизация, в том числе с фигурами водного дыхания, коллоидные и пылевые кристаллы, пены , клетки Рэлея-Бенара и в некоторой степени кристаллы льда . Капли собираются вблизи центра нагреваемой области, где температура и интенсивность восходящих струй пара самые высокие. При этом между каплями действуют силы отталкивания аэродинамической природы. В результате кластер упаковывается в наиболее плотную форму упаковки (гексагональную сотовую структуру) с определенным расстоянием между каплями, зависящим от сил отталкивания. [5]
Контролируя температуру и температурный градиент, можно контролировать количество капель, их плотность и размер. Используя инфракрасное облучение, можно подавить рост капель и стабилизировать их на длительный период времени. [6]
Было высказано предположение, что это явление в сочетании со спектрографическим исследованием содержания капель можно использовать для быстрого биохимического анализа in situ. [7] Недавние исследования показали, что кластер может существовать при более низких температурах — около 20 °C, что делает его пригодным для биохимического анализа живых объектов. [4]
Могут быть созданы кластеры с произвольным малым количеством капель. В отличие от кластеров с большим количеством капель, мелкие кластеры не всегда могут образовывать гексагонально-симметричную структуру. Вместо этого они создают различные более или менее симметричные конфигурации в зависимости от количества капель. Отслеживание отдельных капель в небольших кластерах имеет решающее значение для потенциальных приложений. Симметрию, упорядоченность и устойчивость этих конфигураций можно изучать с помощью такой меры самоорганизации, как энтропия Вороного. [8]
Поскольку наиболее распространенный гексагональный (сотовый) скопление капель наблюдалось впервые в 2004 году, новые типы парящих скоплений капель были обнаружены . В цепочном скоплении капель вращающиеся капли могут располагаться очень близко друг к другу, но вязкость тонкого слоя газа между каплями не позволяет им слиться. Происходит обратимый структурный переход от упорядоченного гексагонального кластера к цепочечной структуре. [9] Иерархический кластер построен из небольших групп капель, взаимодействия которых контролируются электростатическими силами, которые объединяются в более крупные структуры, управляемые аэродинамическими силами. Агрегаты капель постоянно перестраиваются. Капли постоянно перестраиваются, поэтому это явление похоже на «детерминированный хаос» ( аттрактор Лоренца ). [10] В отсутствие ПАВ, подавляющего термокапиллярное (ТК) течение, на поверхности слоя воды образуется кольцеобразный кластер. [11] Маленькие кластеры могут демонстрировать 4-кратную, 5-кратную и 7-кратную симметрию, отсутствующую у крупных капельных кластеров и коллоидных кристаллов. Свойства симметрии малых кластерных конфигураций универсальны, т.е. не зависят от размера капель и деталей взаимодействия между каплями. Была выдвинута гипотеза, что симметрии в малых кластерах могут быть связаны с классификацией ADE или с просто-шнурованными диаграммами Дынкина . [12]
Явление кластера капель отличается от эффекта Лейденфроста , поскольку последний возникает при гораздо более высоких температурах над твердой поверхностью, тогда как кластер капель образуется при более низких температурах над поверхностью жидкости. Это явление также наблюдалось с жидкостями, отличными от воды.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Федорец, А.А. (2004). «Капельный кластер». Письмо в ЖЭТФ . 79 (8): 372–374. Бибкод : 2004JETPL..79..372F . дои : 10.1134/1.1772434 . S2CID 189769894 .
- ^ Шавлов А.В.; Джуманджи, В.А.; Романюк, С.Н. (2011). «Электрические свойства капель воды внутри капельного кластера». Буквы по физике А. 376 (1): 39–45. Бибкод : 2011PhLA..376...39S . дои : 10.1016/j.physleta.2011.10.032 .
- ^ Умеки, Т.; Охата, М.; Наканиси, Х; Итикава, М. (2015). «Динамика микрокапель на поверхности горячей воды» (PDF) . Дж. Физ. хим. Летт . 5 : 8046. arXiv : 1501.00523 . Бибкод : 2015NatSR...5E8046U . дои : 10.1038/srep08046 . ПМК 4306967 . ПМИД 25623086 .
- ^ Jump up to: а б Федорец А.А.; Домбровский, Луизиана; Рюмин, П. (2017). «Расширение температурного диапазона образования кластеров капель над локально нагретой поверхностью воды». Межд. J. Тепломассообмен . 113 : 1054–1058. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.06.015 .
- ^ Jump up to: а б Федорец А; Френкель, М.; Шульзингер, Э.; Домбровский, Луизиана; Бормашенко Е.; Носоновский, М. (2017). «Самособирающиеся парящие кластеры капель воды: формирование узора и стабильность» . Научные отчеты . 7 (1): 1888–8913. Бибкод : 2017NatSR...7.1888F . дои : 10.1038/s41598-017-02166-5 . ПМЦ 5432495 . ПМИД 28507295 .
- ^ Домбровский, Луизиана; Федорец А.А.; Медведев Д.Н. (2016). «Использование инфракрасного излучения для стабилизации парящих скоплений капель воды». Инфракрасная физ. Технол . 75 : 124–132. Бибкод : 2016ИнФТ..75..124Д . doi : 10.1016/j.infrared.2015.12.020 .
- ^ Федорец, А.А. (2008). «Применение капельного кластера для визуализации микромасштабных потоков газа и жидкости». Гидродинамика . 43 (6): 923–926. дои : 10.1134/S0015462808060124 . S2CID 122022390 .
- ^ Федорец А; Френкель, М.; Бормашенко Е.; Носоновский, М. (2017). «Маленькие левитирующие упорядоченные скопления капель: стабильность, симметрия и энтропия Вороного» . Дж. Физ. хим. Летт . 8 (22): 5599–5602. doi : 10.1021/acs.jpclett.7b02657 . ПМИД 29087715 .
- ^ Федорец А; Френкель, М. (2019). «Самоорганизующиеся левитирующие скопления капель: обратимый переход от гексагональной к цепочечной структуре». Ленгмюр . 35 (47): 15330–15334. doi : 10.1021/acs.langmuir.9b03135 . ПМИД 31663755 . S2CID 204967374 .
- ^ Федорец А; Домбровский Л.; Бормашенко Е.; Носоновский, М. (2022). «Иерархический парящий кластер, содержащий трансформирующиеся небольшие агрегаты капель воды». Микрофлюидика и нанофлюидика . 26 (7): 52. arXiv : 2111.11427 . дои : 10.1007/s10404-022-02557-9 . S2CID 244478224 .
- ^ Федорец А; Щербаков Д.; Бормашенко Е.; Носоновский, М. (2020). «Влияние поверхностно-активных веществ на формирование и свойства кластеров капель». Ленгмюр . 36 (37): 11154–11160. doi : 10.1021/acs.langmuir.0c02241 . ПМИД 32872782 . S2CID 221467795 .
- ^ Федорец А; Домбровский Л.; Бормашенко Е.; Носоновский, М. (2020). «Симметрия небольших скоплений парящих капель воды». Физ. хим. хим. Физ . 22 (21): 12239–12244. Бибкод : 2020PCCP...2212239F . дои : 10.1039/D0CP01804J . ПМИД 32432244 . S2CID 218759409 .