За достижения, которые сначала вызывают смех, а затем – раздумья
 капля кофе испаряется на 30% быстрее, чем вода  Пол Бьенвеню (Paul Bienvenu)  Дэвид Кере (David Quere) | Автомобиль Алкоголь Вера
Война Волосы Врачи
Геометрия Дети Женщины
Животные Запах Звук
Здоровье Кино Кладбище
Книга Космос Кофе Кошка
Лицо Мозг Мужчины
Музей Музыка Насекомые Общество Пенис
Предметы Продукты Психология
Птицы Разное Растения Секс Собака
Спорт Суд Техника Туалет
Финансы Цвет Экскременты /Реклама/ Шнобелевская премия - архив О времени жизни кофейной каплииспаряясь кофейная капля оставляет круговое пятно, диаметр которого обычно равен диаметру капли Пол Бьенвеню (Paul Bienvenu), Харука Хитоми (Haruka Hitomi), Дэвид Кере (David Quere), Исследовательский университет PSL, Франция, "О времени жизни кофейной капли", Soft Matter, 8, 5 января 2026. Аннотация Как известно, после испарения кофейная капля оставляет круговое пятно, диаметр которого обычно равен диаметру капли. Этот эффект изучался углубленно около 25 лет, но редко подчеркивалось, что пятно значительно усиливает гистерезис краевого угла смачивания. Соответственно, жидкость может оставаться зафиксированной от начала до конца испарения, что объясняет размер пятна. Здесь мы обсуждаем следствие этой сильной фиксации. Обнаружено, что кинетика испарения ускоряется примерно на 30% по сравнению с водой, поскольку очень плоская капля испаряется быстрее, чем выпуклая. Это означает, что любая система, блокирующая линию контакта, будет ускорять испарение, что мы демонстрируем, вытравляя подложку с помощью канавки. В заключение мы ставим под сомнение общность этого эффекта, рассматривая различные примеры испарения сложных жидкостей. Введение Капли воды на кухне или в ванной комнате часто видны, и нас не удивляет их исчезновение, скажем, через час — они просто испарились, что является распространенным явлением, которому способствует сочетание их малого объема и большой площади поверхности с воздухом. Скромность этого наблюдения резко контрастирует со сложной физикой, действующей во время испарения. Было обнаружено, что затем от центра к периферии капли возникает капиллярный поток, который всасывает жидкость в эту область, компенсируя потери из-за испарения. Этот поток имеет известное следствие, а именно образование кругового пятна на линии контакта, если внутри жидкости присутствуют частицы – как это бывает в кофе, – которое действительно оставляет кольцо вместо равномерного осадка в месте, где присутствовала жидкость. В более общем смысле, летучие смеси часто образуют сложный рисунок после своего исчезновения, что было описано для мыльной воды, крови, растворов соли или сахара и даже текилы или виски. Уилсон и д'Амброзио (Wilson, d’Ambrosio) классифицировали образующиеся рисунки на несколько типов: одиночное кольцо, множественные или концентрические кольца, равномерная пленка, центральный (или внутренний) осадок, разветвленные (или спицеобразные) структуры, демонстрируя сложный характер процесса осаждения. Можно задаться вопросом, влияет ли образование рисунков на кинетику испарения, вопрос, который мы обсуждаем здесь в рамках канонической ситуации с кофейными каплями. Априори возможно множество ответов. Поскольку частицы пассивно переносятся капиллярным потоком, сначала можно предположить, что для понимания времени высыхания важен только этот поток, так что наличие зерен на него не влияет. Однако можно также утверждать, что частицы часто гигроскопичны и, следовательно, замедляют испарение. И наоборот, они также способствуют закреплению капель и изменению их геометрии, что, скорее, может привести к сокращению времени жизни капель. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть факты, выходящие за рамки этих качественных аргументов. Методология Эксперимент прост. Мы формируем миллиметровые капли воды или кофе (радиус R) с помощью калиброванной микропипетки (пипетка VWR), которая отмеряет объем V 9,0 мкл с погрешностью 0,2 мкл, определяемой путем взвешивания серии таких капель. Мы наносим их на сантиметровую стеклянную пластину, очищенную этанолом, и отслеживаем их эволюцию с помощью видеокамеры (Basler), которая делает 1 снимок в секунду сверху. Мы также делаем боковые снимки со скоростью, как правило, 24 снимка в минуту. Для сокращения времени испарения t подложку можно нагревать до температуры T, поддерживая температуру воздуха около комнатной To 23 C и относительную влажность RH 30%. Было показано, что потоки Марангони, связанные с нагревом, оказывают незначительное влияние на скорость испарения, и наши результаты действительно согласуются при изменении T – изменяется только время t', но не иерархия между временем, измеренным для разных систем. Вода дистиллируется, чтобы избежать присутствия загрязнений, а кофейный раствор готовится путем растворения коммерческого порошка в воде (Nescafe selection). Таким образом, мы можем удобно изменять его концентрацию c, первоначально выбранную на значении c = 4g/L. Рассматривая осадок после испарения, видно, что частицы кофе имеют приблизительно сферическую форму размером от 1 до 4 мкм. 
Мы сравниваем испарение капель воды и кофе с одинаковым начальным объемом V = 9 мкл, помещенных на горизонтальное стекло, нагретое до T = 50 C. В каждом случае начальный профиль изображен сплошной линией, а пунктиром показано, как капли исчезают минуту за минутой. Для воды (синие профили, левый рисунок) мы сначала наблюдаем закрепление линии контакта, поскольку угол контакта уменьшается от значения при движении капли к значению при её удалении. Затем капля уменьшается, сохраняя заданную форму, пока полностью не исчезнет, что происходит за время t' 8,4 минуты. Капля кофе ведёт себя иначе (чёрные профили, правый рисунок): закрепление линии контакта гораздо сильнее, поскольку оно происходит почти до конца сушки, а испарение, по-видимому, происходит гораздо быстрее, за время t' 5,8 минуты. Наша цель здесь — понять этот эффект и обсудить его общность. 
Эти первые наблюдения можно дополнить более подробными измерениями. Сначала мы строим график зависимости периметра капли от времени t, синими и черными символами обозначая воду и кофе соответственно. В первом случае мы последовательно наблюдаем короткое плато и регулярное уменьшение периметра. Это изменение становится критическим вблизи t', что подчеркивается пунктирными линиями, показывающими функцию, изменяющуюся как корень из(t'–t). Во втором случае режим плато гораздо дольше, поскольку он сохраняется почти до времени t', приближение к которому характеризуется падением периметра всего за несколько секунд. Мы восстанавливаем эти моды при построении графика изменения контактного угла капель — еще одной переменной, легко извлекаемой из профилей. Угол для воды сначала уменьшается с 80 до 65, то есть от своего начального значения Oo до угла отступления lr, а затем остается довольно постоянным (медленное уменьшение) в течение основной части жизни капли, за исключением быстрого падения вблизи t = t'. В отличие от этого, угол для кофе постоянно уменьшается с приблизительно линейной зависимостью, не достигая плато при Or = 65. Это уменьшение происходит до конца испарения, что означает, что угол отступления кофе практически равен 0 – как если бы пластина стала полностью гидрофильной. Образование кофейного пятна является причиной такого значительного усиления гистерезиса краевого угла смачивания (на 65): частицы кофе мигрируют и концентрируются на периферии капли, где они образуют пористую среду, смачиваемую водой, и тем самым прочно удерживают ее. Мы склонны интерпретировать более быстрое исчезновение кофе как следствие этого эффекта: тогда площадь поверхности раздела жидкость/воздух незначительно уменьшается по мере исчезновения капли, что усиливает испарение. Следовательно, вода и кофе исчезают примерно при постоянном угле и постоянном радиусе соответственно, что является двумя хорошо известными асимптотическими режимами испарения капли. Заключение Было обнаружено, что кофе в масштабе капель испаряется примерно на 30% быстрее, чем вода – побочный эффект знаменитого кофейного пятна, наличие которого блокирует линию контакта и, таким образом, способствует большой поверхности обмена между жидкостью и ее паром. Мы обсудили минимальную модель для понимания этого эффекта и его общего характера: в первом приближении отношение времени жизни испаряющихся капель кофе и воды составляет 2/3 – формула поразительной простоты, пределы которой были подчеркнуты в статье. Поскольку было установлено, что причиной этого явления является закрепление линии контакта, мы количественно оценили, как бороздки вызывают тот же эффект, предоставляя простой способ значительно ускорить испарение летучих капель. 18.03.2026 Комментарий:
Источник - пресса |
| (c) 2010-2026 Шнобелевская премия | ig-nobel@mail.ru |