Из жизни капельного кластера

Округлое скопление из множества одинаковых звездочек на мониторе живет своей жизнью, иногда в конструкции часть звездочек гаснет, тогда оставшиеся моментально перемещаются так, что прежняя округлая форма скопления снова восстанавливается. В целом все выглядит разумным, хотя и немного мультяшным, организмом. На самом деле у него есть свое название – капельный кластер. Это висящая в воздухе шестиугольно упорядоченная структура из капелек образована с помощью небольшого количества воды и точечного источника тепла. Для его изучения ученые института криосферы Земли – доктор физико-математических наук Анатолий Шавлов и старший инженер Игорь Соколов, – соорудили простую, но эффективную установку, состоящую из микроскопа, видеокамеры, зеленой подсветки и простого ингалятора, вроде тех, что верой и правдой до сих пор служат в старых санаториях. О результатах изысканий Анатолий Шавлов расскажет на Х Международной конференции мерзлотоведов, которая пройдет в Салехарде 25-29 июня. Однако читатели нашего издания смогут опередить маститых ученых со всего мира и из первых рук узнать некоторые подробности «из жизни капельного кластера» и его исследователей.

- Что сейчас происходит под стеклом микроскопа?

Шавлов: – Мы пытаемся получить модель облака, в виде стабильной системы, в которой капли поддерживаются в левитирующем состоянии в фокусе микроскопа. В реальном облаке капли падают вниз под действием силы тяжести, а также могут подниматься потоками воздуха вверх, но по отношению друг к другу могут пребывать в малоподвижном состоянии и проявлять различные взаимодействия. Мы предполагаем, что благодаря взаимодействию капель, внутри облака царит не хаос, а определенный порядок, то есть, все не так просто, как кажется стороннему наблюдателю за облаками.

В 2004 году появилась публикация тюменского ученого, специалиста кафедры микро- и нанотехнологий Александра Федорца о новом явлении – пространственно-упорядоченной структуре, которая получила название «капельный кластер». Нам идея коллеги понравилась, и захотелось тоже приложить свою руку к ее разработке. Собрали установку и приступили к изучению геометрических и электрических свойств капельных кластеров. Капельный кластер образован каплями воды микронного размера, уложенными в один слой и гексагонально упорядоченными внутри этого слоя. Кластеры всегда имеют округлую форму, а значит, обладают поверхностным натяжением. Они стремятся сохранить свою форму не смотря на наличие быстро меняющихся воздушных потоков, то есть, по-видимому, обладают вязкостью большей, чем вязкость воздуха.

Когда измерили вязкость, выяснили, что она больше вязкости воздуха в несколько раз.

(Слушаю ученых, а сама поглядываю, как на зеленом фоне (зеленый – чтобы лучше видеть прозрачные капли!) двигаются, словно в кино, соблюдая определенное расстояние между собой, капли-кругляшки… и почему-то вся эта структура не разваливается, а кучкуется дружным «мозгом»)

Соколов: – Мы попытались разобраться – почему расстояние между каплями не произвольное, а строго определенное. Более того, оно удивительным образом совпадает с расстоянием между каплями в облаке и тумане. Таким образом, стало очевидно, что в облаке и тумане структура тоже вполне упорядочена. Другими словами, облако является «немножко твердым» и «немножко упругим», а это затрудняет перенос в нем тепла и массы.

(Улыбаемся: получается, что милые картинки, как кто-то полеживает на облаке – вовсе не так сказочны и утопичны.)

Шавлов: - Все же раньше (до нашей статьи в нидерландском журнале «Физические письма») считали, что в облаке тепло и масса переносятся так же, как и в воздухе. Но не тут-то было: взаимодействие капель воды друг с другом подавляет конвекцию и тепломассоперенос.

Кроме того, считали, что в небе нет никакого порядка, а на деле оказалось, что и там, как во всей Вселенной, все стремится к самоорганизации.

(Капли меньшего размера, кажется, пыхтят под микроскопом – стараются втиснуться в общую структуру. Неуловимо для человеческого глаза большинство капель-малышек увеличиваются и занимают в шестигранном скоплении эдакого плавающего кристалла строго отведенные им места)

Шавлов: Владимир Павлович Мельников однажды высказал идею о возможности влияния пространственно упорядоченных структур в атмосфере на толщину озонового слоя, на происхождение озоновых дыр. Постепенно появилась любопытная гипотеза: во время деятельности вулкана в стратосферу выбрасывается гигантский столб из окислов серы, хлористого водорода и метана, в результате чего образуется аэрозоль, который и разрушает озон. И все бы ничего, если бы этот аэрозоль не был бы таким долгоживущим, как в реальности. Мы считаем, что долговременность существования губительного для озона аэрозоля напрямую связана с образованием внутри него пространственно упорядоченных капельных и пылевых структур.

Полагаю, что в своем докладе на Международной конференции мерзлотоведов академик Мельников расскажет подробнее об этой истории.

- А ваш доклад, Анатолий Васильевич, чему будет посвящен?

- Капельным структурам и механизмам действия между каплями. Доложу, например, о том, что капли в капельном кластере поддерживаются в левитирующем состоянии с помощью паровой подушки, а между собой взаимодействуют электрическим образом. Представлю результаты измерения поверхностного натяжения и вязкости капельного кластера. Дам оценку возможности образования капельных структур в облаках и туманах, а также их влиянии на погоду и климат в целом.

- Мы можем говорить о практической стороне применения новых, безусловно, интересных, знаний?

Соколов: – Методы долгосрочных прогнозов основаны на знании закономерностей теплообмена океана и атмосферы. Вся погода и климат зависят от данного взаимодействия. Суперкомпьютеры просчитывают математические модели этих процессов и выдают прогнозы, в том числе об изменениях климата. И в этом аспекте наши результаты тоже могут пригодиться.

Шавлов: – Кроме того, ученые довольно давно изучают пылевые кристаллы в пылевой плазме. Механизм взаимодействия пылевых частиц до сих пор неясен. Мы же считаем, что он схож с механизмом, действующим в капельном кластере. Исследования нашей группы могут оказаться полезными на этом поприще. Так, при изготовлении транзисторов, резисторов, полупроводников, столь необходимых в электронной технике, неконтролируемо образуются пылевые структуры, которые отрицательно влияют на качество конечного продукта. На сегодня такое «пыльное дело» считается непобежденным. Наработки ученых института криосферы Земли лежат в русле идей пылевой плазмы и могут оказаться весьма полезными.

- У вас такие забавные устройства – чуть ли не на коленке изучаете серьезные вещи…

Соколов: - Ребята-физики русского происхождения – Андре Гейм и Костя Новоселов, ныне работающие в Англии, получили в 2010 году Нобелевскую премию за разработку графена – нового материала с уникальными свойствами. А они, между прочим, в плане оборудования тоже недалеко от нас ушли – буквально скотчем отрывали графитный слой.

- Пожалуй, в этой связи кстати будет на конференции присутствие главы династии Нобелей – Филиппа Нобеля. А теперь серьезно скажите, каким составом вы изучаете возможности капельного кластера и ставите эксперименты?

Шавлов: – Начинали мы два года назад с аспиранткой Варварой Джуманджи. Сейчас продолжаем работы с Игорем Соколовым, который метеоролог по специальности – окончил Ленинградский гидрометеорологический институт. Тема погоды и возможностей на нее влиять остается крайне актуальной. Не исключено, что наши наработки приведут к замене старой технологии «разгонять облака» разными не очень экологичными средствами на более наукоемкие и безопасные.

-  Ваша тема будет актуальна на конференции мерзлотоведов?

Шавлов: – Непременно. Академик Мельников давно сказал, что атмосфера является областью криосферы – ведь там есть и вода и отрицательные температуры. Науку криосферу и криосфероведов капельные кластеры и все, что с ними связано, точно интересует. Кроме того, надо расширять методы изучения криосферы – из области географических они переходят в область физических.

Людмила Караваева