Ученые выявили неожиданные свойства у самых обычных жидкостей

                                                   Схематическое изображение частицы бипирамидальной формы. Цветом отражена плотность энергии.
  • Схематическое изображение частицы бипирамидальной формы. Цветом отражена плотность энергии.

При нажатии на поверхность обычной воды вы никак не ожидаете, что жидкость поведет себя, как твердое тело, и «отпрыгнет» обратно. Однако примерно такой эффект в своей последней работе наблюдала группа ученых из США, исследовавшая смесь воды с более вязкой жидкостью с помощью нанообъекта, вибрирующего с частотой порядка 20 ГГц.

В рамках своего эксперимента они погружали в жидкость наночастицы золота и обнаружили, что упругость этой жидкости зависит от частоты вибрации.

Эта так называемая вязкоупругость была ранее обнаружена в более сложных жидкостях, к примеру, у смеси воды и кукурузного крахмала. Однако для простых жидкостей такое изменение характеристик до сих пор наблюдалось лишь с очень ограниченным числом тонких образцов.

Полученные учеными результаты дают подтверждение наличия у всех жидкостей вязкоупругих свойств, ожидаемого уже более века. Кроме того, полученные данные в будущем могут улучшить понимание взаимодействия наночастиц с жидкостями на наноуровне.

При попадании объекта в воду, молекулы жидкости перестраиваются в поток вокруг него. Но если переместить этот объект достаточно быстро, молекулы, вместо перестроения, будут вести себя, как упругая пружина (сжимаясь и разжимаясь при взаимодействии с посторонним объектом).

В сложных жидкостях, таких как смесь кукурузного крахмала и воды, эти «неньютоновские» явления становятся базой для очень интересных демонстраций в кабинетах физики.

Надо отметить, что подобные вязкоупругие свойства ученые наблюдали и в обычных жидкостях, правда, до сих пор их удавалось увидеть только в тонких пленках между двумя скользящими поверхностями.

Для наблюдения вязкоупругих свойств у обычных жидкостей в более широком диапазоне условий группа ученых из University of Melbourne и California Institute of Technology (США) использовала методику, ранее использовавшуюся для изучения потерь энергии в вибрирующих наночастицах.

Для своей работы команда помещала в растворы с разной вязкостью наночастицы золота бипирамидальной формы длиной порядка 100 нм. Растворы на эксперименте состояли из воды, смешанной с глицерином (обладающим достаточно высокой вязкостью) в различной пропорции.

Вибрация нужной частоты сообщалась наночастицам при помощи короткого лазерного импульса. При помощи второго, более слабого импульса, следовавшего с небольшой задержкой после первого, ученые отслеживали частоту колебаний наночастиц (по их поглощению света).

В ходе эксперимента было выявлено, что частота колебаний наночастиц при одинаковом воздействии увеличивается с ростом процентной доли глицерина в жидкости. Этот результат оказался достаточно неожиданным, поскольку увеличение вязкости должно наоборот, замедлить движение и привести к снижению частоты колебаний. Вместо этого наблюдалось противоположное поведение, которое, как выяснилось, согласуется с моделью, учитывающей вязкоупругие свойства жидкости (вместо классической ньютоновской модели).

Согласно этой модели (модели вязкоупругой жидкости), с увеличением вязкости она в большей степени начинает действовать, как пружина, отталкивая объект назад при деформации.

Надо отметить, что уже более века исследователи подозревали наличие вязкоупругих свойств во всех типах жидкостей, но не имели технологий, с помощью которых можно было бы проверить это утверждение на практике. Так что представленный эксперимент стал ответом на вопрос, существовавший более века.