Российские физики обнаружили у пузырьков тягу к порядку

Вид сверху на процесс травления пластины. Белые линии на темной звезде - самоорганизованные потоки пузырьков. Иллюстрация авторов исследования

Российские физики обнаружили у пузырьков тягу к порядку

Группа российских ученых из Института общей физики имени Прохорова обнаружила самоорганизующиеся структуры из пузырьков, возникающие в химических процессах. Статья физиков в настоящее время готовится к публикации в Physical Review Letters, а ее препринт доступен на сайте arXiv.org (pdf).

Самоорганизация внутри жидкости при протекании физических процессов была хорошо известна и ранее. Типичный пример - ячейки Бенара. Они возникают в тонком горизонтальном слое жидкости, подогреваемом снизу. Конвекционные потоки в жидкости организуются таким образом, что при взгляде сверху видна структура, похожая на пчелиные соты - ее легко наблюдать в хорошо разогретом тонком слое масла на сковородке.

В рамках нового исследования ученые рассматривали случай, когда помимо жидкости в токе участвуют пузырьки, которые, вообще говоря, не только движутся вслед за жидкостью, но и оказывают влияние на возникающие токи (то есть задача в сравнении с предыдущим случаем усложняется). Физики помещали обработанную лазером пластинку в водный раствор аммиака (то есть раствор, в котором присутствуют ионы NH₄⁺). В результате такого травления пластины на обработанной лазером поверхности возникают микроскопические пузырьки водорода, которые поднимаются к поверхности раствора.

Если наблюдать процесс сбоку, то пузырьки водорода, поднимаясь, смещаются ближе к центру, но в этом эффекте нет ничего нового. Если, однако, смотреть на возникающие пузырьки сверху, то они концентрируются во вполне конкретных регионах пластинки. Так, например, если лазером был обработан квадрат, то этот регион - суть его диагонали, а если произвольный треугольник, то биссектрисы. Кроме этого, оказалось, что, если область имеет вид цветка с закрученными в одну сторону лепестками, то при достаточной толщине слоя жидкости поток, создаваемый пузырьками, также будет закручиваться.

Примечательно, что в рамках работы физикам не только удалось обнаружить этот эффект, но и описать его математически.