Кластер капель - Droplet cluster

Самособирающиеся кластеры капель
Самособирающийся кластер капель

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. Явление впервые наблюдалось в 2004 г.[1] и после этого он был тщательно изучен.[2][3]

Растущая конденсация капли с типичным диаметром 0,01–0,2 мм поднимаются на равновесной высоте, где их вес уравновешивается силой сопротивления восходящей воздушно-паровой струи, поднимающейся над нагретым пятном. В то же время капли тянутся 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 лазер луч или другой источник тепла до 60 ° C - 95 ° C, хотя 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 аэродинамический силы между микрокаплями в восходящей струе, капли не сливаются, а образуют закрыто упаковано гексагональная структура, демонстрирующая сходство с различными классическими и недавно обнаруженными объектами, в которых проявляется самоорганизация, включая фигуры водяного дыхания, коллоидные и пылевые кристаллы, пены, Рэлей-Бенар клетки, 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 (гексагональной соты структура) с некоторым 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 продолжительных 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 явления Эффект Лейденфроста потому что последнее происходит при гораздо более высоких температурах над твердой поверхностью, а кластер капель образуется при более низких температурах над жидкой поверхностью. Это явление также наблюдалось с другими жидкостями, кроме воды.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Федорец, А.А. (2004). «Капельный кластер». ЖЭТФ Lett. 79 (8): 372–374. Bibcode:2004JETPL..79..372F. Дои:10.1134/1.1772434.
  2. ^ Шавлов, А. В .; Джуманджи, В. А .; Романюк, С. (2011). «Электрические свойства капель воды внутри капельного кластера». Письма о физике A. 376 (1): 39–45. Bibcode:2011ФЛА..376 ... 39С. Дои:10.1016 / j.physleta.2011.10.032.
  3. ^ Умэки, Т .; Охата, М .; Наканиши, H; Итикава, М. (2015). «Динамика микрокапель над поверхностью горячей воды» (PDF). J. Phys. Chem. Латыш. 5: 8046. arXiv:1501.00523. Bibcode:2015НатСР ... 5Э8046У. Дои:10.1038 / srep08046. PMID  25623086.
  4. ^ а б Федорец, А.А; Домбровский, Л.А .; Рюмин, П. (2017). «Расширение температурного диапазона образования кластеров капель над локально нагретой водной поверхностью». Int. J. Тепломассообмен. 113: 1054–1058. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2017.06.015.
  5. ^ а б Федорец, А; Френкель, М .; Shulzinger, E .; Домбровский, Л. А .; Бормашенко, E .; Носоновский, М. (2017). «Самособирающиеся левитирующие скопления капель воды: формирование рисунка и стабильность». Научные отчеты. 7 (1): 1888–8913. Bibcode:2017НатСР ... 7.1888F. Дои:10.1038 / s41598-017-02166-5. ЧВК  5432495. PMID  28507295.
  6. ^ Домбровский, Л.А .; Федорец, А.А; Медведев Д.Н. (2016). «Использование инфракрасного излучения для стабилизации левитирующих скоплений водяных капель». Инфракрасный физ. Technol. 75: 124–132. Bibcode:2016ИнФТ..75..124Д. Дои:10.1016 / j.infrared.2015.12.020.
  7. ^ Федорец, А.А. (2008). «Применение кластера капель для визуализации микромасштабных потоков газа и жидкости». Динамика жидкостей. 43 (6): 923–926. Дои:10.1134 / S0015462808060124.
  8. ^ Федорец, А; Френкель, М .; Бормашенко, E .; Носоновский, М. (2017). "Малые левитирующие упорядоченные кластеры капель: стабильность, симметрия и энтропия Вороного". J. Phys. Chem. Латыш. 8 (22): 5599–5602. Дои:10.1021 / acs.jpclett.7b02657. PMID  29087715.

внешняя ссылка