Вступление
Мыльные пузыри и пленки были источником интриг на протяжении тысячелетий. Их влияние можно проследить в исторической дуге, которая включает в себя вавилонские ритуалы гадания (lecanomancy) для картин импрессионистов на произведения таких физиков, как Ньютон, Плато и де Жен 1, 2, 3, 4. Основываясь на этом фундаменте, в наше время поведение пузырьков от их рождения 5, 6, смачивания 7, дренажа и испарения 8, 9 до их рокового взрыва 10, 11был всесторонне изучен. Это привело к практическому использованию пузырьков для множества приложений, таких как сбор энергии 12, доставка лекарств 13 и очистительные устройства 14, 15, 16.
Несмотря на продолжительное внимание к пузырям, существует лишь краткий научный отчет о замерзании. В 1949 году Шефер наблюдал замерзание пузырьков на вершине горы. Вашингтон и прокомментировал количество и форму кристаллов льда, содержащихся в них 17. В области изобразительного искусства, с другой стороны, наблюдается тенденция к съемке красивых видеороликов о сложной динамике замерзания пузырьков, осажденных на снегу (например, см. Https://www.youtube.com/watch?v= H7pqoCJQp2I). Эта динамика нетривиальна из-за уникальной геометрии пузырька: в отличие от капелек, луж или поверхностных пленок жидкости пузырьки не имеют теплопроводного объемного объема. Поэтому обширные исследования о том, как капельки 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 или пленки 26, 27, 28 замораживание не может захватить физику пузыря замораживания.
Вдохновленные этими неформальными наблюдениями за замерзанием пузырьков, мы здесь характеризуем явления теплообмена, определяющие динамику замерзания пузырьков в широком диапазоне условий. В зависимости от условий эксперимента наблюдались два различных типа динамики замерзания. При замерзании пузырьков в изотермической среде восходящий фронт замораживания создает поток Марангони, который отделяет кристаллы льда, что приводит к ускоренному замерзанию с нескольких фронтов, растущих в тандеме. И наоборот, когда пузырьки осаждаются на охлажденной ледяной подложке в условиях комнатной температуры, восходящий фронт замораживания останавливается на полпути вверх по пузырю из-за плохой проводимости.
Результаты
Экспериментальная установка
Были выполнены два отдельных набора экспериментов: изотермические эксперименты, в которых морозильная камера устанавливала температуру окружающей среды (T ∞) и температуру подложки (T w) намного ниже точки плавления (T m): T ∞ ≈ T w = −18 ± 2 ° с < Т м (. рис 1а), а эксперименты комнатной температуры, если температура окружающей среды была теплее, чем температура плавления и замораживание было достигнуто с помощью охлажденной подложки: Т ∞ ≈ 25 ° с> Т т > Т ш (Рис. 1б). В обоих случаях пузырь был нанесен на ледяную подложку, так что процесс замораживания мог начаться немедленно. Для изотермических экспериментов мыльные пузыри с объемами воздуха Ω = 500 мкл или 10 мл были нанесены на ледяной диск. Для экспериментов при комнатной температуре Ω = 5 мкл или 500 мкл и субстрат охлаждали в любом месте от T w = -10 ° C до -40 ° C и оставляли замерзать. Эти два разных условия для окружающей среды дали два разных способа замораживания пузырьков.
рисунок 1
Динамика замерзания пузырьков при различных условиях окружающей среды. a Для пузырьков, осажденных на ледяной подложке, содержащейся в изотермическом морозильнике, фронт замораживания вызывал локальное нагревание на дне пузырька. Это привело к тому, что поток Марангони оказался достаточно сильным, чтобы отделить и увлечь растущие ледяные кристаллы, так что пузырь застыл с нескольких фронтов. b Для пузырьков, осажденных на охлажденном, ледяном субстрате в среде с комнатной температурой, фронт замораживания рос равномерно снизу вверх, а затем полностью останавливался на критической высоте. Скрытое тепло, генерируемое на растущем фронте замораживания, должно постоянно сбрасываться в субстрат из-за неэффективной проводимости через замороженную часть пузыря.
Для пузырьков в обеих сериях экспериментов мы использовали глицерин-водный мыльный раствор с температурой замерзания T m ≈ −6,5 ° C (см. Раздел «Методы») 29. Когда спокойный пузырь прокалывается, отверстие открывается и увеличивается из-за неустойчивых сил поверхностного натяжения на его ободе. Используя закон Дюпре – Тейлора – Кулика, начальную толщину пленки пузырька жидкости (e 0) можно определить по скорости открытия отверстия, уравновешивая поверхностное натяжение и инерцию 30, 31:
vб= 2 γρ е0----√,vбзнак равно2γρе0,
(1)
где γ = 24,2 мН м -1 - поверхностное натяжение раствора, измеренное с использованием метода подвесных капель и ожидания, пока поверхностно-активное вещество не достигнет стационарной плотности упаковки на свободной границе (дополнительный рис. 1). Используя высокоскоростную визуализацию, наблюдались скорости разрыва v b ≈ 3,2 м с -1, v b ≈ 4,1 м с -1 и v b ≈ 5,3 м с -1 при Ω = 5 мкл, Ω = 500 мкл и Ω = 10 мл пузырьков, соответственно (дополнительный рис. 2). Учитывая, что мыльный раствор на 80% состоит из воды, мы приближаем плотность (и все другие теплофизические свойства, кроме T m) как для чистой воды: ρ ≈ 1000 кг м −3. Из уравнения 1 мы получаем e 0 ≈ 4,7 мкм для Ω = 5 мкл, e 0 ≈ 2,7 мкм для Ω = 500 мкл и e 0 ≈ 1,7 мкм для Ω = 10 мл.