قطرات معلق (۱۳۹۶/۸/۱۶) - 1396/08/16

تصویر میکروسکوپ آرایه‌ای از قطرات (سمت چپ) را بر روی تکه‌ای خشک از سطح مس گرمادیده نشان می‌دهد. سمت راست لبه‌ی لایه‌ی نازکی از آب و قطرات را نشان می‌دهد که از آن ناحیه‌ی به سمت تکه‌ی خشک مهاجرت می‌کنند.

اگر با دقت به فنجانی از قهوه یا چای نگاه کنید، ممکن است مه‌ شناوری را روی سطح آن ببینید. به نظر می‌رسد این مه، قطراتِ در اندازه‌های میکرون از مایع باشد که به زعم فیزیک‌دانان روی سطح یک مایع داغ شناور می‌شوند. برخی اوقات این قطراتِ معلق قادرند حتی خود را (در حالت شناوری) در یک آرایش دوبعدی منظم قرار دهند. هرچند این پدیده به شکل ضعیفی درک شده است اما پیامدهای مهمی در ترمودینامیک تبخیر دارد و همچنین می‌توان از آن در گستره‌ای از کاربردها از تولید مواد شیمیایی گرفته تا تحویل داروها به بیماران بهره برد.

مدل جدیدتر

اکنون اولگ کابوف (Oleg Kabovو همکارانش از دانشگاه دولتی نُوسیبیرسک (Novosibirsk) و دانشگاه پژوهشی پلی‌تکنیک تومسک ملی روسیه بعلاوه دانشگاه متدیست جنوبی در ایالات متحده، آرایش مشابهی از قطرات کوچک روی سطح داغ جامد را مشاهده کرده‌اند. آن‌ها مدل جدیدی را برای توضیح این اثر توسعه‌داده‌اند که به بیان آن‌‌ها رفتار قطرات روی جامدات گرم را نیز توضیح می‌دهد.

شناور‌ماندن قطرات روی سطوح داغ خشک اثر لییدنفروست (Leidenfrost) نامیده می‌شود. اغلب مطالعات پیشین روی سطوحی انجام شده است که در دماهای بالاتر از نقطه‌ی جوش آن مایع قرار داشته‌اند. با این حال این تیم، آزمایش خود رابر روی قطعه‌ای مسی که تا ۸۵ درجه سانتی‌گراد گرم شده است به انجام رسانده‌اند. این کار به سطح این اجازه را می‌دهد تا حدودی با لایه‌ی نازکی از آب پوشیده شود و به پژوهش‌گران این امکان را می‌دهد تا به مطالعه‌ی  شناورشدن روی سطوح مرطوب و خشک بپردازند. این قطعه‌ی مسی با یک میکروسکوپ متصل به یک دوربین سرعت-بالا کنترل می‌شود که محدوده‌ای را با سطحی به پهنای ۱ میلی‌متر اندازه می‌گیرد.

تکه‌ی خشک

این آزمایش با مس پوشیده شده از لایه‌ی یکنواختی از آب به عمق ۴۰۰ میکرومتر شروع می‌شود. جِتی از هوا بر روی سطح شلیک می‌شود تا تکه‌ای خشک به پهنای ۷۵۰ میکرومتر ایجاد شود. سپس به این سطح گرماداده شده و قطرات بر روی لایه‌ی مایع تشکیل می‌شوند. برخی از این قطرات به ناحیه خشک مهاجرت می‌کنند؛ جایی‌که در آنجا به حالت تعلیق در می‌آیند.

آنطور که در مجله‌ی فیزیکال ریوی لترز نوشته شده، اعضای این تیم خاطر نشان کرده‌اند که دمای این سطح بسیار کمتر از «دمای لییدنفرست» سنتی است و این دما بالاتر از آن است یک قطره، لایه‌ی بخار عایقی را ایجاد کند تا هم آن را از تبخیر و هم از افتادن بر روی سطح داغ باز دارد.

بازتاب تبخیر

بنابراین این تیم بایستی مدل جدیدی را برای توضیح این تعلیق روی سطح خشک با دمای پایین‌تر توسعه دهد. نظریه‌ی آن‌‌ها شامل جریان تبخیر خروجی از یک قطره و انعکاس آن از سطح مس است که در نتیجه باعث تسریع در شناور ماندن می‌شود. آن‌ها همچنین روی این نیز حساب می‌کنند که این جریان خروجی بخار، یک اندرکنش دفعی را بین قطرات ایجاد می‌کند که باعث می‌شود قطرات چندگانه ارایه‌های منظمی را ایجاد کنند.

به محض آن‌که اعضای این گروه مدلشان‌ را برای سطوح خشک توسعه داده‌اند، کابوف و همکارانش قطرات را روی سطوح مرطوب دوباره مشاهده کرده‌اند و نتیجه گرفته‌اند که اثر تبخیریِ مشابهی مسٔول قطرات شناور و تشکیل آرایه‌های منظم است.   

 

درباره‌ی نویسنده:

هامیش جانستون ویراستار physicsworld.com است.

 

منبع:

Levitating droplets go with the flow

psi.ir/html/news/news/news2_fa.asp?id=2326