Жидкости-супергерои

Они намагничиваются, наматываются, трескаются и прыгают
Дарья Вяльцева    
Владислав Балашов кандидат физико-математических наук    

Чтобы своими глазами увидеть проявление суперспособностей, совсем не обязательно идти в кино на очередной блокбастер по комиксам о людях-мутантах. Фантастическими качествами могут удивить даже жидкости. oLogy собрал топ экстраординарных свойств, которыми обладают вполне реальные жидкие вещества.

Намагничиваться

Первая героиня нашего топа — ферромагнитная жидкость. В моменты проявления суперспособности ФМЖ может показаться демонической и устрашающей, но на самом деле она приносит нам немало пользы. Об этом чуть позже. Сначала давайте поймём, что она собой представляет.

Ферромагнитная жидкость — это прежде всего, разумеется, жидкость. Но в добавок к привычным свойствам жидкостей она способна взаимодействовать с магнитным полем, подобно железу, так как представляет собой очень мелкие магнитные частицы, взвешенные в жидкой среде (например, в воде или спирте).

«А как насчёт демонической суперспособности?» — спросите вы. Вот, полюбуйтесь:



Из-за чего же феррофлюиды пускаются в этот необычный игольчатый танец? В состоянии покоя магнитные наночастицы равномерно распределены в растворителе — ФМЖ похожа на густой чёрный кисель. Но под действием достаточно сильного магнитного поля поверхность ФМЖ теряет устойчивость: даже небольшое возмущение формы поверхности ФМЖ начинает нарастать, поскольку магнитное поле вблизи повышений увеличивается, а вблизи впадин уменьшается. В результате поверхность приобретает структуру из конических пиков, которую называют «Цветком Розенцвейга».

Люди нашли немало полезных применений этой суперспособности. Например, феррофлюиды при определенных условиях снижают трение — их используют в гоночных автомобилях для улучшения возможностей подвески. Контролируемая магнитом, ФМЖ при необходимости может сделать подвеску более мягкой или жёсткой.


Наматываться и карабкаться вверх

Что случится, если вы будете очень быстро перемешивать суп в большой кастрюле? Прикрепите ложку к дрели, включите агрегат на полную мощность и опустите в бульон… Да, ничего особенного. Суп подчиняется закону Ньютона, согласно которому вязкость постоянна. Поэтому под действием инерции суп просто отступит к стенкам.

А вот если бы вы взболтали так бульон из жидких вязкоупругих полимеров (это одна из разновидностей неньютоновской жидкости), вязкость которых зависит которых зависит от скорости их деформации... Такой «отвар» непременно вскарабкался бы и намотался сначала на вращающуюся ложку, и возможно даже на сверло.


Причина такого поведения в природе вязкоупругих полимеров: внешнее воздействие приводит к возникновению в них сил, действующих перпендикулярно плоскости сдвига. Впервые этот эффект заметил и описал австрийский физик, реолог Карл Вайсенберг.

Кстати, к жидкостям с такими суперспособностями относится известная всем сгущёнка. Так что, если вам не жалко баночку-другую, можете поэкспериментировать с ней дома.

Вращайте и накручивайте!


Реология — раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества.

Прилипать

Суперспособности есть не только у жидкостей типа ферромагнитной или неньютоновской. Вода, сок, морс, чай, кофе, квас — всё то, чем мы ежедневно утоляем жажду, тоже обладает интересными свойствами.

Давайте вспомним, что происходит, когда мы пытаемся перелить чай из чашки в чашку. Как правило, он предательски проливается! Если наклонить чашку недостаточно резко, жидкость начнёт стекать по внешней стенке, из-за высокой смачиваемости поверхности будет растекаться и скапливаться у донышка. Это явление впервые описал румынский авиаконструктор Анри Коанда.


Изначально эффект был зафиксирован не для жидкостей, а для газов. Во время испытания реактивного самолёта Коанда обратил внимание, что поток пламени, вырывающийся из двигателя, почему-то прижимается к самолёту. Дело в том, что поверхность, вдоль которой стелется реактивная струя, препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны, создавая вихрь в зоне пониженного давления. История со струёй жидкости считается частным случаем эффекта Коанда и порой именуется «эффектом чайника» (с заварочными чайниками ведь такая беда тоже часто случается).

Кстати, в домашних условиях можно попробовать снять заклятие «эффекта чайника». Для этого нужно несколько секунд подержать эмалированную кружку над свечой и слегка закоптить края. Сажа практически не смачивается водой, поэтому, выливаясь из такой кружки, жидкость не будет стекать по стенке даже при небольшом наклоне.


Трескаться

А могут ли жидкости трескаться, как твёрдое тело? Некоторые могут. Это свойство полимерных жидкостей учёные наблюдали ещё в 1960-х, но механизм возникновения трещин подробно не описали. Вновь к проблеме подступились лишь в 2016 году. Исследователи из Датского университета провели ряд экспериментов над нитями раствора полистирола — вязкоупругой полимерной жидкости. При малых скоростях деформации этот термопластичный полимер ведёт себя как жидкость (его можно вылить из стакана), а при больших — скажем, при ударе — как упругое твёрдое тело. Из полистирола изготавливают, к примеру, одноразовую посуду, пищевую плёнку, стаканчики для йогуртов и многое другое.

Физики хотели узнать, что произойдёт с раствором при резкой деформации. Они поместили жидкость между двумя держателями, нагрели до 120 °С и быстро подняли один из держателей. Раствор вытянулся в колонны, в которых образовались трещины. Этот эксперимент был заснят на высокоскоростную камеру. Исследователи сделали вывод, что в появлении трещин в полимерных жидкостях ключевую роль играют флуктуации (случайные отклонения) температуры, тогда как в твёрдых телах причиной возникновения трещин под действием растяжения становятся множественные микротрещины. Так, в полимерной жидкости может возникать одновременно множество трещин, причём происходит это хаотично, в разных местах и мало зависит от скорости растягивания вещества.


Просачиваться всюду

Жидкость, которая может преодолеть любую преграду, — фантастическая вещь, согласны? Такая способность называется сверхтекучестью и пробуждается лишь при особых условиях, причём далеко не у всех веществ.

Сверхтекучесть — квантовое явление, которое наблюдается только при очень низких температурах и выражается в полном отсутствии трения. В 1938 году советский физик Пётр Капица обнаружил такое свойство у жидкого гелия (гелия II). При температуре около 2 К (–271,15 °C) у гелия происходит фазовый переход, проявляющийся в прекращении кипения и скачке теплоёмкости. В результате он трансформируется в жидкость с нулевой вязкостью, которая способна течь без трения по абсолютно любой поверхности, проникая даже в крошечные поры. К примеру, обычная кружка для сверхтекучей жидкости точно не была бы помехой: супержидкость моментально просочилась бы через мельчайшие, неразличимые глазом поры в дне и стенках.


Запоминать

Кристаллы — крепкие орешки, но даже они иногда могут быть немного не в форме. Современные люди наслышаны про телевизоры на жидких кристаллах, ЖК-мониторы компьютеров и других устройств. А ведь всего этого могло бы не быть, если бы в 1888 году австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер не обнаружил у кристаллов способность приобретать свойства жидкости.

После долгих лет изучения этого парадоксального вещества учёные выделили два типа жидких кристаллов: холестерические (со спиральной структурой) и нематические (с нитевой). А в ноябре 2017 года российские физики совместно с тайваньскими коллегами обнаружили у ЖК первого типа ещё одно суперкачество — способность запоминать форму. Исследование опубликовано в авторитетном журнале Scientific Reports.

Когда холестерические ЖК помещают в электрическое поле, они разворачиваются, приобретая форму нити. Учёным стало интересно: что произойдёт, если резко выключить поле? Оказалось, что в этом случае нитевая структура моментально возвращается в исходное, закрученное состояние. Если же снижать интенсивность поля постепенно, капля жидкого кристалла трансформируется в другую, более сложную структуру. Но благодаря эффекту памяти формы любые изменения обратимы!


Отпрыгивать

Гели для душа, шампуни, средства для мытья посуды тоже не обделены суперкачествами: они умеют прыгать.

В этом легко убедиться. Возьмите шампунь и с силой выдавливайте его на плоскую твёрдую поверхность, например на тарелку. С силой — чтобы струя шампуня была интенсивной. Как только на тарелке появится хотя бы маленькая горка, струя начнёт время от времени резко от неё отскакивать, словно каучуковый мячик от бетонного пола. Заметить этот эффект можно даже невооружённым глазом, хотя длится «прыжок» всего ничего — около 300 миллисекунд.

Прыгучесть густых жидкостей была открыта в 1963 году английским инженером Аланом Кеем и описана в Nature. В конце статьи он отметил, что пока не может объяснить природу зафиксированного явления, но предполагает, что такие растворы относятся к неньютоновским. Позже это предположение подтвердилось, а сам механизм описали в 2006 году учёные из Нидерландов. Они изучали эффект Кея на примере жидкого мыла при помощи высокоскоростной съёмки — 50 кадров в секунду. И пришли к выводу, что главную роль здесь играет псевдопластичность — свойство, при котором вязкость жидкости уменьшается при увеличении напряжений сдвига. Струя мыла сначала образует на поверхности тарелки горку, через какое-то время формирует в этой горке ямку. А ещё несколько секунд спустя подключается псевдопластичность: струя давит на стенки ямки, и в этом месте вязкость заметно уменьшается. В результате образуется тонкий слой, по которому поток мыла начинает «проскальзывать» и, резко разворачиваясь на границах впадинки, отлетает в сторону, подобно ловкому акробату.

А вы догадывались, что в ванной и на кухне у вас обитают жидкие супергерои?

Иллюстрации

Лера Железова