Физики из Принстонского Университета объяснили причины, по которым капля виски, высыхая, образует более равномерное покрытие, чем капля кофе. Последняя формирует «кофейные кольца», в которых значительная часть твердых веществ оказывается по краю капли. Авторы отмечают, что обнаруженные эффекты могут быть использованы в новых методиках создания покрытий. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Physics.
На необычную форму пятен, остающихся при высыхании виски обратил внимание фотограф Эрни Баттон. Капли, испарявшиеся на поверхности чистых бокалов, оставляли за собой необычный осадок, очень эффектно выглядевший при освещении снизу. Однако, фотограф отметил, что не все сорта виски создавали подобную картину и обратился к коллегам-физикам, чтобы выяснить с чем это связано.
Ученые заказали для проведения экспериментов пять различных сортов виски. В статье авторы приводят результаты лишь для Glenlivet 12 и McClelland, опыты с другими сортами, по словам ученых, привели к аналогичным результатам. Для визуализации токов жидкости внутри капель физики добавили в виски флуоресцентные частицы диаметром около одного микрометра. Все процессы фиксировались с помощью камеры и микроскопа.
Авторы обнаружили два процесса, управляющих движением жидкости. Первый из них аналогичен процессам в кофейной капле — по краям жидкости испарение идет быстрее, чем в центре. Чтобы скомпенсировать это, возникают потоки, движущиеся от центра капли к ее краям — они переносят твердые частицы и оказываются ответственными за возникновение «кофейных колец».
Второй процесс, известный как эффект Марангони, вызывает потоки, направленные в обратную сторону. Он связан с наличием в виски поверхностно-активных веществ, подобных жирам. Эти соединения концентрируются у краев капли и уменьшают поверхностное натяжение. Тем самым на поверхности капли образуется градиент натяжения, который компенсируется обратным оттоком жидкости в центр. Кроме того, виски содержит в своем составе растительные полимеры, которые обладают большим сродством к стеклу. Они помогают направлять частицы из жидкости к подложке, «прилипая» к ней.
Оба компонента — и полимеры и поверхностно-активные вещества — необходимы для создания однородного покрытия. Авторы провели эксперименты с жидкостями, свойства которых аналогичны виски, но лишенных одного или обоих компонентов. Во всех таких опытов образования равномерных покрытий не наблюдалось.
Образование «кофейных колец» осложняет нанесение различных покрытий из жидкостных сред. Как отмечают физики, проблемы из-за неравномерного высыхания возникают при струйной печати, а также в 3D-принтерах, основанных на послойном осаждении из жидкости. Ранее другим группам исследователей удалось выяснить, что избавиться от «кофейных колец» можно смешивая растворители — например воду и спирт, однако это помогало лишь для субмиллиметровых капель. Новая работа показала, как можно добиться однородности покрытия для капель размером порядка сантиметра, сообщает N+1.
