Физиков заинтересовали исследования грязи и геля для волос
Наблюдения процесса высыхания – далеко не самое новое направление исследований, но, согласно статье, опубликованной в Physical Review E, совсем недавно ученые получили новые данные о деталях этого процесса. Исследователи создали три различных модели почвы; наблюдая за процессом испарения влаги в каждом из случаев. Оказалось, что скорость испарения определяют лишь отдельные компоненты «почвы».
Высыхание почвы в сельском хозяйстве является одним из самых негативно влияющих на развитие отрасли факторов. Однако, исследования в данной области до сих пор давали достаточно мало практических результатов.
Известно, что натуральные почвы, которые состоят из частиц разных размеров, сначала сохнут с некой постоянной скоростью, после чего процесс начинает прогрессивно замедляться. Исследователи интерпретировали этот факт, как нарушение баланса между темпами испарения и объемами жидкости, проходящей через образец. В зависимости от типа почвы, длительности каждой из фаз сильно различаются. Но до сих пор ученые не могли точно ответить на вопрос, какая из компонент почвы отвечает за разницу этих скоростей.
Для того чтобы оценить влияние каждой отдельной компоненты, ученые смоделировали различные типы субстанций при помощи шариков из стекляруса диаметром порядка 300 микрон, смешивая их с тремя различными пастообразными материалами. Два из трех «связующих» материалов являлись различными типами глины. Первый носил название каолин и представлял собой субстанцию из удлиненных частиц, длиной около 1 микрона; второй – бентонит, состоял из чуть более длинных частиц, расширяющихся при намокании. Третий материал был самым обычным гелем для волос, состоящим из сферических «капель», также разбухающих при намокании.
В ходе эксперимента каждый из вариантов «почвы» помещался в прозрачный вертикальный контейнер без крышки и подвергался просушке в течение нескольких недель. Периодически каждый из контейнеров взвешивался, кроме того, применялась магнито-резонансная томография (МРТ) для получения пространственной карты распределения воды внутри контейнера.
Эксперименты показали, что образцы высыхали с различной скоростью. Быстрее всех лишилась воды модель, построенная на каолине; дольше всех высыхала модель с гелем для волос. Третья модель демонстрировала «средний» тип поведения. При этом изменение размеров «подмешенного» в субстанцию стекляруса не имело никакого эффекта на скорость просушки ни в одном из вариантов «почвы».
Исследования при помощи МРТ показали, что процесс высыхания в первом образце проходил сразу из всего объема. Ученые предположи, что суть проблемы здесь в упаковке частиц. Несмотря на то, что частицы в каолине приближались друг к другу при удалении воды, они между собой не склеивались. Воздух в пустотах между частицами способствовал наискорейшему высыханию. В образце на основе геля процесс проходил по-другому: в «почве» присутствовал «фронт высыхания», опускавшийся по мере испарения жидкости снизу вверх. Ученые предположили, что частицы склеиваются между собой, блокируя таким образом дальнейшее высыхание.
Исследования уже сейчас называют удивительными. Естественно, работы в этом направлении будут продолжены. Ученые полагают, что при подтверждении предложенных теорий добавлением геля соответствующего состава в верхние слои почвы они смогут значительно замедлить ее высыхание. Кроме того, результаты могут найти свое применение и в разработке покрытий, где необходимо соблюдать определенную скорость просушки.
