Кластер капель представляет собой самоорганизующийся левитирующий монослой микрокапель, обычно расположенных в гексагонально упорядоченную структуру над локально нагретым тонким (около 1 мм) слоем воды. Капельный кластер типологически похож на коллоидные кристаллы . Это явление было впервые обнаружено в 2004 г. [1], и после этого оно широко изучалось. [2] [3]
Растущие конденсирующиеся капли с типичным диаметром 0,01–0,2 мм левитируют на равновесной высоте, где их вес уравновешивается силой сопротивления восходящей паровоздушной струи, поднимающейся над нагретым пятном. В то же время капли уносятся к центру нагретого пятна; однако они не сливаются, образуя упорядоченный гексагональный (наиболее плотно упакованный) узор из-за силы аэродинамического отталкивания от потока газа между каплями. Пятно обычно нагревается лазерным лучом или другим источником тепла до 60–95 ° C, хотя это явление наблюдалось также при температурах немного выше 20 ° C. [4] Высота левитации и расстояние между каплями того же порядка, что и их диаметр. [5]
Из-за сложной природы аэродинамических сил между микрокаплями в восходящей струе капли не сливаются, а образуют замкнутую упакованную гексагональную структуру, показывающую сходство с различными классическими и недавно обнаруженными объектами, в которых проявляется самоорганизация, включая фигуры водяного дыхания, коллоидные и пылевые кристаллы, пена , ячейки Рэлея – Бенара и в некоторой степени кристаллы льда . Капли упаковываются около центра нагретой области, где температура и интенсивность восходящих паровых струй самые высокие. В то же время между каплями действуют силы отталкивания аэродинамического характера. Следовательно, кластер упаковывается в форму плотнейшей упаковки (гексагональная сотовая структура) 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 излучение, можно подавить рост капель и стабилизировать их в течение длительных периодов времени. [6]
Было высказано предположение, что это явление в сочетании со спектрографическим исследованием содержания капель может быть использовано 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 произвольно небольшим количеством капель. В отличие от кластеров с большим количеством капель, небольшие 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]
Явление кластера капель отличается от эффекта Лейденфроста, поскольку последний возникает при гораздо более высоких температурах над твердой поверхностью, в то время как кластер капель образуется при более низких температурах над поверхностью жидкости. Это явление также наблюдалось с другими жидкостями, кроме воды.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Федорец, А. А. (2004). «Капельный кластер». JETP Lett . 79 (8): 372–374. Bibcode : 2004JETPL..79..372F . DOI : 10.1134 / 1.1772434 .
- ^ Шавлов, А.В.; Джуманджи В.А.; Романюк, С.Н. (2011). «Электрические свойства капель воды внутри капельного кластера». Физика Буквы A . 376 (1): 39–45. Bibcode : 2011PhLA..376 ... 39S . DOI : 10.1016 / j.physleta.2011.10.032 .
- ^ Умэки, Т .; Охата, М .; Наканиши, H; Итикава, М. (2015). «Динамика микрокапель над поверхностью горячей воды» (PDF) . J. Phys. Chem. Lett . 5 : 8046. arXiv : 1501.00523 . Bibcode : 2015NatSR ... 5E8046U . DOI : 10.1038 / srep08046 . PMID 25623086 .
- ^ а б Федорец, АА; Домбровский, Л.А.; Рюмин, П. (2017). «Расширение температурного диапазона для образования кластеров капель над локально нагретой водной поверхностью». Int. J. Тепломассообмен . 113 : 1054–1058. DOI : 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2017.06.015 .
- ^ а б Федорец, А; Френкель, М .; Shulzinger, E .; Домбровский, Л.А.; Бормашенко , Э .; Носоновский, М. (2017). «Самособирающиеся парящие скопления капель воды: формирование рисунка и стабильность» . Научные отчеты . 7 (1): 1888–8913. Bibcode : 2017NatSR ... 7.1888F . DOI : 10.1038 / s41598-017-02166-5 . PMC 5432495 . PMID 28507295 .
- ^ Домбровский, Л.А.; Федорец, АА; Медведев Д.Н. (2016). «Использование инфракрасного излучения для стабилизации парящих скоплений водяных капель». Инфракрасный физ. Technol . 75 : 124–132. Bibcode : 2016InPhT..75..124D . DOI : 10.1016 / j.infrared.2015.12.020 .
- ^ Федорец, А.А. (2008). «Применение кластера капель для визуализации микромасштабных потоков газа и жидкости». Гидродинамика . 43 (6): 923–926. DOI : 10.1134 / S0015462808060124 .
- ^ Федорец, А; Френкель, М .; Бормашенко , Э .; Носоновский, М. (2017). «Малые левитирующие упорядоченные кластеры капель: стабильность, симметрия и энтропия Вороного» . J. Phys. Chem. Lett . 8 (22): 5599–5602. DOI : 10.1021 / acs.jpclett.7b02657 . PMID 29087715 .
Внешние ссылки
- Видео: Парящие скопления капель над нагретой поверхностью воды
- Кластер капель
- Видео: кластеры капель