Есть только одна проблема: формулы, которые ученые используют для описания такого потока жидкости, гласят, что вода должна просто продолжать бесконечно распространяться. Все знают, что это не так — но почему?Эта загадка теперь решена исследователями из Массачусетского технологического института — и хотя это явление может показаться тривиальным, выводы могут быть значительными: понимание таких текущих жидкостей имеет важное значение для процессов, от смазки шестерен и механизмов до потенциального связывания выбросов углекислого газа. в пористых подземных образованиях.
Новые результаты сообщаются в журнале Physical Review Letters в статье Рубена Хуанеса, доцента гражданской и экологической инженерии, аспиранта Амира Пахлавана, научного сотрудника Луиса Куэто-Фельгерозо и профессора машиностроения Гарета МакКинли.«Классическая модель тонкой пленки описывает распространение жидкой пленки, но не предсказывает его остановку», — говорит Пахлаван. Оказывается, проблема заключается в масштабе, говорит он: только на молекулярном уровне начинают проявляться силы, ответственные за остановку потока.
И хотя эти силы незначительны, их влияние меняет поведение жидкости, что очевидно в гораздо большем масштабе.«С макроскопической точки зрения на эту проблему нет ничего, что могло бы остановить распространение лужи.
Здесь чего-то не хватает», — говорит Пахлаван.Классические описания распространения имеют ряд несоответствий: например, они требуют бесконечной силы, чтобы лужа начала растекаться.
Но близко к краю лужи "границы раздела жидкость-твердое тело и жидкость-воздух начинают ощущать друг друга", — говорит Пахлаван. «Это недостающие межмолекулярные силы в макроскопическом описании». По его словам, правильный учет этих сил разрешает предыдущие парадоксы.«Что здесь поражает, — добавляет Пахлаван, — это то, что лужу на самом деле останавливают силы, которые действуют только в наномасштабе».
По его словам, это очень хорошо иллюстрирует, как физика в наномасштабе влияет на наш повседневный опыт.Остановится ли чье-то пролитое молоко на столешнице или создаст беспорядок по всему полу, может показаться неважным вопросом, за исключением человека, который может промокнуть или вытереть пролитое молоко. Но задействованные принципы влияют на множество других ситуаций, когда возможность рассчитать, как будет вести себя жидкость, может иметь важные последствия. Например, понимание этих эффектов может иметь важное значение для выяснения того, сколько масла необходимо, чтобы зубчатая передача не работала всухую, или сколько бурового раствора необходимо для обеспечения бесперебойной работы нефтяной вышки.
Оба процесса связаны с потоками тонких пленок жидкости.Хуанес говорит, что многие более сложные потоки флюидов также основываются на тех же основополагающих принципах — например, связывание углерода, процесс удаления углекислого газа из выбросов ископаемого топлива и его закачки в подземные образования, такие как пористые породы. Понимание того, как закачиваемая жидкость будет распространяться через поры в породе, возможно, вытесняя воду, важно для прогнозирования того, насколько стабильными могут быть такие закачки.
«Вы начинаете с чего-то очень простого, например, с распространения лужи, но вы получаете кое-что очень фундаментальное о межмолекулярных силах», — говорит Хуанес. «Один и тот же процесс, одна и та же физика будет задействована во многих сложных потоках».Еще одна область, в которой новые открытия могут быть важны, — это дизайн микрочипов. Поскольку их элементы становятся все меньше и меньше, контроль тепловыделения становится серьезной инженерной проблемой; в некоторых новых системах для отвода тепла используются жидкости. Пахлаван говорит, что понимание того, как такая охлаждающая жидкость будет течь и распространяться по чипу, может быть важным для разработки таких систем.
Этот первоначальный анализ касался только идеально гладких поверхностей. По словам Хуанеса, следующим шагом будет расширение анализа и включение потоков жидкости по шероховатым поверхностям, которые более точно соответствуют условиям, например, для жидкостей в подземных пористых формациях. «Эта работа дает нам возможность лучше описывать многофазные потоки в сложных геометрических формах, таких как грубые трещины и пористые среды».
Работа поддержана Министерством энергетики США.