Каждому из нас знакомо явление, когда на столе или другой поверхности после высыхания капли кофе или чая остаётся заметное кольцо. Казалось бы, просто сухое пятно, но при детальном изучении оказывается, что именно эти кольцевые узоры — результат сложного физического процесса, который учёные называют капиллярным течением. Понимание того, как и почему формируются эти кольца, имеет важное значение для различных отраслей — от производства качественной печати и нанесения покрытий до биомедицинских исследований и экологии. Публикация 1997 года, в которой Роберт Д. Диген и его коллеги подробно изучили этот феномен, стала знаковой в области изучения механики текучих сред.
Основа формирования кольцевых пятен в высохших каплях связана с особым поведением жидкости при испарении. Когда капля жидкости, содержащая в своём составе мелкие частицы или растворённые вещества, попадает на неподвижную гладкую поверхность, то края капли часто фиксируются и не смещаются в процессе высыхания. То есть контактная линия капли, где жидкость соприкасается с поверхностью, «закреплена». В этих условиях испарение происходит интенсивнее именно у краёв капли, поскольку площадь контакта с воздухом вблизи края больше и кроме того поток испаряемой жидкости стимулирует поступление новой жидкости к периферии. Из-за этого усиленного испарения с краёв внутренняя часть капли направляет жидкость к краю, поддерживая объём, который постоянно уменьшается за счёт испарения.
Это движение жидкости называют капиллярным течением, и оно является движущей силой перемещения растворённых или диспергированных в жидкости частиц к границе капли. Частицы концентрируются именно там, образуя видимый плотный внешний кольцевой след. Капиллярное течение и его последствия весьма универсальны — подобное явление наблюдается для самых разных жидкостей и твёрдых частиц, включая краски, чернила, пигменты и даже биологические жидкости. Помимо привычных кофейных пятен, данный процесс крайне важен для качественного нанесения печатных изображений, порошковых покрытий, а также в технологических процессах, где требуется равномерное распределение материалов после высыхания. Экспериментальная работа, проведённая авторами, включала наблюдения за движением микросфер в воде, что позволило визуализировать путь частиц к краю капли.
При этом были подтверждены математические модели, предсказывающие закономерный рост массы кольца по определённому степенному закону во времени, который не зависит от качества поверхности носителя, типа жидкости или свойств переносимых частиц. Эти универсальные закономерности позволили лучше понять и даже прогнозировать поведение высыхающих капель. Устойчивость контактной линии — ключ к формированию кольца. Если контактная линия соскальзывает или меняет своё положение в процессе испарения, то кольцеобразные отложения либо не образуются, либо их форма существенно изменяется. В этом случае свойства поверхности, её шероховатость, химическая природа и взаимодействие с жидкостью становятся решающими факторами.
Механизм капиллярного течения объясняет не только эстетическую сторону явления, но и причины неравномерного распределения компонентов в высыхающих жидкостях. Этот процесс может быть как полезным, так и нежелательным. В промышленности тщательно регулируют состав и свойства жидкости, а также характеристики поверхности, чтобы добиться необходимого результата, например создать ровное покрытие без дефектов. В биологических и медицинских исследованиях практика нанесения проб воды с ингредиентами на подложки для последующего анализа зависит от понимания явления капиллярного течения. Концентрация компонентов у краёв может повлиять на результаты и интерпретацию анализов, поэтому учёные стремятся либо контролировать процесс, либо минимизировать эффект кольцевого напыления.
Современные исследования продолжают развивать представления о капиллярном течении и его влиянии на разнообразные явления. Междисциплинарные направления объединяют физику, химию, инженерию и биологию, создавая новые методы и материалы. Так, физика капиллярного течения стала важным элементом при создании инновационных технологий нанесения микроскопических узоров и управлении свойствами поверхностей. Таким образом, с первого взгляда простое кольцевое пятно — это окно в сложный мир взаимодействия жидкости, твёрдой поверхности и физических процессов испарения. Работа Роберта Д.
Дигена и коллег внесла значительный вклад в науку, сделав понятным и предсказуемым явление, которым мы сталкиваемся ежедневно. Осознание и использование эффектов капиллярного течения помогает улучшать качество печати, разрабатывать новые методы в нанотехнологиях и оптимизировать множество промышленных и научных процессов связанных с высыханием жидкостей.
