Изучая вопрос гидродинамической устойчивости, ученые долгое время интересовались исключительно обычными, ньютоновыми жидкостями (про ньютоновы и не-ньютоновы жидкости мы писали в статье "Жидкость с памятью"). А ведь текучестью, а значит, и всеми гидродинамическими явлениями в полной мере обладают и так называемые пластические жидкости: гели, пасты, пены, то есть вещества, начинающие течь под действием достаточно большой внешней силы.
Именно нестабильность в таких веществах стала активно исследоваться в последнее время. В статье [2] описываются эксперименты с тонкими полимерными пленками в присутствии внешнего электрического поля, играющего в данном случае роль дестабилизирующего воздействия. На полированную поверхность кремния наносилась тонкая полимерная пленка толщиной порядка микрометра, являющаяся одновременно одной из обкладок конденсатора. Над ней на высоте также порядка микрометра находилась проводящая поверхность, служившая второй обкладкой. Когда между обкладками создавалось достаточное напряжение, на поверхности пленки появлялась "рябь" (Рис.3). Это, как мы знаем, и есть проявление нестабильности, причем нестабильность здесь - практически той же природы, что и неустойчивость Рэлея-Тэйлора. Единственное отличие - вместо гравитационного поля неустойчивость здесь вызывает электрическое поле конденсатора.
Интересно, что с помощью такого явления можно "копировать" сложные структуры субмикронного масштаба с заранее приготовленной матрицы на полимерные пленки. В самом деле, если верхний электрод содержит какую-то структуру, какой-то "узор", то, как показано на Рис.3б, "узор" на поверхности полимерной пленки будет в точность его повторять. Это и неудивительно: ведь нестабильность поверхности пленки наступит раньше там, где сильнее электрическое поле, а именно, непосредственно под выступами верхнего электрода. Именно на это важное приложение нестабильности полимерных пленок и делается основной акцент в статье. Ведь по этой методике можно быстро и дешево "штамповать" сложные конструкции, например, элементы интегральных схем.
Нестабильность тонких пленок привлекает и внимание теоретиков. Например, в работе [3] теоретически изучалось поведение тонких пленок пластической жидкости в присутствии внешних сил. Ученых интересовало не только то, при каких условиях на поверхности пленки появляется рябь (то есть пленка становится нестабильной), но и свойства этой ряби, а именно, ее характерная длина волны. Было установлено, что в зависимости от коэффициента поверхностного натяжения и сжимаемости пленки, а также в зависимости от того, как внешняя сила меняется с расстоянием, существуют три режима поведения. Во-первых, пленка может сохранить свое равновесие - это ситуация, очевидно, имеет место при небольших внешних силах. Во-вторых, пленка может просто равномерно "прилипнуть" к притягивающей поверхности: это происходит с легко сжимаемыми жидкостями. И наконец, на поверхности пленки может образовываться рябь со вполне определенной длиной волны. Новое наблюдение, сделанное авторами работы, состоит в том, что эта длина волны, то есть характер возникающего узора, не зависит ни от природы внешней силы - будь это электрическое поле, ван-дер-ваальсовы или какие-либо другие силы, - ни от ее величины, а целиком определяется толщиной пленки. Такая универсальность пока еще не наблюдалась в эксперименте, поэтому здесь предсказания теоретиков еще ждут своего подтверждения.
Как указывается авторами работы, теоретическое понимание механизмов возникновения нестабильности в тонких пленках мягких материалов позволит максимально полно использовать свойства таких веществ в технологии и промышленности. Примерами могут служить применения смазочных материалов, процессы, использующие явление адгезии, кавитация на поверхности мягких материалов, и, наконец, то же самое "штампование" полимерных пленок с готовой матрицы.
Список литературы
[1] https://astron.berkeley.edu/~jrg/ay202/lectures/node122.html - математическое описание нестабильности на границе раздела двух жидкостей.
[2] E.Schaeffer et al, Nature 403 (2000) 874.
[3] V.Shenoy and A.Sharma, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 119.
И.П.Иванов
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта https://www.nsu.ru