Физика

Ученые открыли новый механизм слипания частиц в жидкости

Pixnio

Команда математиков из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле и Университета Брауна обнаружила новый механизм, который позволяет мелким частицам в системах жидкостей с разными плотностями перемещаться и слипаться друг с другом. Статья об этом была опубликована в журнале Nature Communications.

Оседание и слипание различных частиц — сложные явления, которые влияют на многие процессы, происходящие на нашей планете. Большое значение они имеют для океанов и морей. На глубинах свыше тысячи метров в них можно увидеть явление, известное как «морской снег». Это падающие на дно останки трупов животных, которыми питаются глубоководные организмы. Эти частицы очень важны для морской фауны, ведь для многих ее представителей «морской снег» — основная пища в рационе.

Уже давно считается, что оседание и агрегация частиц в океане происходят за счет случайных столкновений и сцепления микроструктур друг с другом. Но новое исследование ученых из двух университетов показывает, что всеми этими процессами движут ранее неизвестные силы.

Авторы продемонстрировали в своей работе, что частицы, взвешенные в жидкостях различной плотности, таких как различные слои солености морской воды, ведут себя непредсказуемо. Во-первых, частицы самособираются в кластеры без участия сил электростатического или магнитного притяжения или, в случае микроорганизмов, без специальных приспособлений, таких как бьющиеся жгутики или реснички. Во-вторых, они склеиваются без какой-либо необходимости в связующем веществе между ними. Чем крупнее скопление, тем сильнее сила притяжения.

Ученые обнаружили странное явление случайно. Они в очередной раз демонстрировали эксперимент, в ходе которого бросали небольшие сферы в резервуар с соленой водой, равномерно распределенной по плотности во всем своем объеме. Они должны были опускаться на дно, время от времени «подпрыгивая». Но аспирант, готовивший соленую воду, допустил ошибку, из-за которой в резервуаре появились слои с разной плотностью. И вместо того, чтобы подпрыгивать, сферы опустились до определенного уровня и зависли в толще воды. На следующее утро они так же оставались подвешенными в центре резервуара, но помимо этого ученые заметили, что сферы начали слипаться.

Для объяснения этого явления у ученых ушло более двух лет и очень много математических расчетов. Оказалось, что держаться в толще воды частицам помогает диффузия — процесс смешивания двух сред для выравнивания концентраций растворенных в ней веществ — между двумя слоями жидкости. Более соленая жидкость расположена на дне, и соль из нее плавно перетекает в верхний, менее соленый слой. Это движение создает поток воды, который и держит на плаву частицы. Эти потоки также обеспечивают слипание частиц.

Лучшее понимание этого явления может позволить ученым моделировать и прогнозировать местоположение биологических «горячих точек» — кормовых угодий для промысловых рыб или находящихся под угрозой исчезновения видов. Также дальнейшее исследование этого процесса поможет улучшить способы обнаружения микропластика в океане или даже нефти глубоководных разливов. Открытие позволит и сортировать материалы различных плотностей, например различных типов стекла, поступившего на переработку.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.