Ученые научились управлять формой капель жидкости

Американо-японская группа физиков научилась управлять формой капель жидкости, используя комбинацию наночастиц и электрического поля. Отличительной особенностью их метода является то, что капли сохраняют свою форму даже после отключения электрического поля, даже если речь идет об очень больших деформациях. Подробности приведены в статье исследователей для журнала Science.

Ученые из университета Массачусетса и университета Тохоку использовали смесь двух жидкостей: в частности, воды и силиконового масла. Добавив наночастицы из полистирола (белый пластик, из которого, в частности, делают одноразовые стаканчики и вилки) и еще одно вещество, полидиметилсилоксан с дополнительной аминогруппой, физики смогли добиться того, что граница между двумя средами приобретала новые свойства.

Молекулы полидиметилсилокана с NH₂ группой проявляли в смеси воды и масла гидрофильные свойства и притягивались аминогруппой к границе воды со стороны масла. С другой стороны к той же границе подтягивались пластиковые наночастицы, покрывая каплю воды в масле сплошным слоем. Когда исследователи поместили сосуд со смесью жидкостей между пластинами конденсатора, электрическое поле вытянуло капли воды и за счет этого увеличило их площадь (сфера, как известно, обладает минимально возможной поверхностью при заданном объеме).

После того, как капля вытянулась, на ее поверхности появилось дополнительное место. На этих новых незанятых участках появились дополнительные наночастицы и молекулы полидиметилсилокана. Слой из шариков и молекул придал капле дополнительную жесткость, поэтому при отключении внешнего поля она сохранила свою форму: сформированная наночастицами оболочка не позволяла ей вернуться в исходное состояние.

Эксперименты показали, что таким образом капли воды в масле можно растянуть в десятки раз и они сохранят свою форму на протяжении очень долгого, вплоть до одного месяца, времени. Если же капли поместить сначала в поле с одним направлением, а потом с другим, их можно изогнуть дугой или добиться появления отростков. Ученые считают, что новый метод управления формой капель найдет применение в микрогидравлических системах: устройствах для химического анализа небольших количеств вещества.

Влияние наноструктур на смачиваемость поверхности и взаимодействие жидкостей активно изучается также в контексте создания водоотталкивающих покрытий. Такие гидрофобные структуры находят в природе (во многих популярных источниках приводится пример лепестков лотоса, к которым не липнет грязь) и пытаются создать в лабораториях для производства материалов, которые будут меньше намокать и загрязняться.