Но только при падении на диэлектрическую подложку
Физики исследовали влияние заряда на разбрызгивание капли при ее столкновении с твердой поверхностью и выяснили, что электрические заряды, окружающие капли, создают силу, которая притягивает выбрасываемый слой жидкости обратно, предотвращая брызги. Ученые подтвердили экспериментальные результаты теоретической моделью, которая связала пороговую скорость разбрызгивания с зарядом капли и диэлектрической проницаемостью поверхности. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Ударяясь о твердую поверхность, капля жидкости может создавать эффектные брызги, поведение которых физики активно изучают. За последнее время ученые разработали несколько теоретических моделей, например, на основе инерционной динамики или неустойчивости Кельвина — Гельмгольца, а также научились бороться с брызгами. При этом подавляющее большинство исследований физики посвятили электрически нейтральным каплям и поверхностям, с которыми они соударяются.
Однако в природе широко распространена и обратная ситуация: например, капли в грозовых облаках или жидкие частицы в процессе струйной печати — в подобных системах капли приобретают случайный заряд, приблизительно равный одному нанокулону. Учитывая масштабы эффекта, электрический потенциал должен существенно влиять на динамику столкновения таких капель с твердой поверхностью.
Кай Ван Цзюань (Zuankai Wang) из Гонконгского политехнического университета совместно со своими коллегами из Германии, Китая и Швейцарии экспериментально исследовали удар заряженных капель о твердую подложку и выяснили, что наличие даже слабого заряда существенно снижает разбрызгивание, а при большой величине заряда практически полностью подавляет этот эффект.
Чтобы изучить, как уровень заряда влияет на динамику феномена, физики зарядили капли этилового спирта с помощью медного кольца и металлической иглы, из которой выходили капли. И кольцо, и иглу ученые подключили к высоковольтному источнику напряжения, из-за чего отрыв капли обусловился равнодействием сил гравитации, поверхностного натяжения и электрического взаимодействия — принцип действия, схожий с капельницей Кельвина. Исследователи настроили экспериментальную установку так, чтобы получать капли примерно одинакового радиуса в 1,65 ± 0,02 миллиметра с зарядом от 0 до 0,15 нанокулона. Высоту падения капли варьировали от 200 до 600 миллиметров, сохраняя скорость полета в диапазоне 2–3 метра в секунду; полет капель фиксировали рапидной съемкой 20000–40000 кадров в секунду. Заряд созданной капли авторы работы определяли с помощью чашки Фарадея и электрометра.
Физики изучили все три стадии, которые прошла заряженная капля: начальное растекание, выброс из капли тонкого жидкого слоя — так называемой ламели, и непосредственно разбрызгивание с образованием капель-спутников. В результате капли, заряженные до 0,04-0,08 нанокулона, показали заметно меньшую интенсивность разбрызгивания (то есть образовалось гораздо меньше капель-спутников). При заряде капель в 0,08-0,1 нанокулона ламель практически мгновенно возвратилась на поверхность и продолжила ее смачивать, вместо того, чтобы удлиниться, а затем разделиться на маленькие составляющие — в конечном итоге такие капли практически не разбрызгались. В то же время ученые отметили и уменьшение времени выброса ламели: от 450 микросекунд для электрически нейтральной капли до 200 микросекунд для капли, заряженной до 0,06 нанокулона.
Еще одно интересное наблюдение, которым поделились авторы работы: эффект разбрызгивания исчез при столкновении с диэлектрической подложкой, а при ударе о проводящую поверхность (например, кремний) или проводник, покрытый тонким (около 300 нанометров) слоем диэлектрика, разбрызгивание не исчезло. Эту особенность физики связали с высвобождением заряда из капли при ее соприкосновении с поверхностью.
Физики предположили, что электростатическая сила изменила структуру газовой пленки под расширяющейся ламелью, противодействуя подъемной силе и подавляя прогиб ламели. При критическом значении заряда это привело к образованию линии контакта без захвата газа, что в конечном итоге подавило и разбрызгивание. Вместе с тем электростатическая сила оказалась также зависимой и от диэлектрической проницаемости подложки, а капли, заряженные как положительно, так и отрицательно, продемонстрировали близкое подавление эффекта.
Авторы работы отметили, что в их модели не учитывается влияние заряда на силу поверхностного натяжения, поскольку последняя должна квадратично уменьшаться с ростом заряда, и соответственно, усиливать разбрызгивание. Этот факт напрямую противоречил экспериментальным данным ученых, поэтому физики исключили его из своего теоретического описания.
Отсутствие брызг при столкновении — не единственный фокус, на который способна жидкость, несущая в себе электрический заряд. О том, как физики научились вращать заряженные капли, мы писали ранее.