Мыльные пленки имеют память
Пузырь имеет сферическую форму, но произвольный каркас из проволоки, опущенный в мыльный раствор, может производить и другие формы пленок. Последние исследования научной группы из Бельгии показали, как именно изменяются эти формы при непрерывном изменении «несущего каркаса». Как оказалось, трансформации зависят от первоначальной формы пленки, как будто пленки помнят свою историю.
Мыльные пленки искажаются, если это позволяет уменьшить их потенциальную энергию. Обычно минимизация энергии связана с уменьшением площади поверхности пленки.
Около 30 лет назад ученые обнаружили, что для некоторых трехмерных структур существует более чем одна разновидность пленки. Самый простой пример такой структуры – треугольная призма, верхняя и нижняя грани которой – равносторонние треугольники, а три вертикальные грани – прямоугольники. Мыльный раствор образует пленку, которая изначально тянется к центру от каждого из девяти углов, формируя три вертикальные плоскости и пару треугольных пирамид, направленных «навстречу» друг другу. То, как пирамиды «встречаются» в центре зависит от размеров изначальной призмы.
Расчеты показывают: если высота призмы больше примерно половины стороны треугольника, лежащего в основании, пирамиды из мыльной пленки соединяются посредством одной линии; но если отношение высоты к стороне треугольника менее 0,4, то в точке слияния пирамид окажется горизонтальный треугольник. В промежутке между этими «крайними» состояниями, пленка может быть в любой конфигурации. Очевидно, что только у одного из состояний будет наименьшая площадь поверхности, но может найтись другое состояние, которое окажется метастабильным по отношению к небольшим изменениям внешних условий, т.е. энергия этого состояния будет меньше «соседних» состояний.
Ранее для наблюдения переходов между различными метастабильными состояниями в случае с мыльным раствором, ученые просто дули на образец. Чтобы исследовать поведение пленки, не применяя внешние воздействия, группа ученых из University of Liege (Бельгия) создала призму, размеры которой можно непрерывно изменять прямо во время эксперимента. С ее помощью они наблюдали весь путь перехода от одного стабильного состояния (описанного выше случая с линией) к другому (с треугольником) и обратно.
Эксперимент показал, что при сокращении высоты призмы переход в конфигурацию с плоским треугольником происходил примерно при отношении высоты к стороне основания равном 0,44. Но переход в обратную сторону «запаздывал» до уровня 0,52. Это показывает, что система обладает своего рода «памятью» о своем предыдущем состоянии, т.е. в данном случае проявляется гистерезис. Подобные явления и ранее наблюдались на мыльных пленках, но проведенное исследование – первое, где трехмерная система была полностью охарактеризована.
Ученые вычислили потенциальную энергию каждого из состояний; было выяснено, что она зависит от характерных размеров призмы (упомянутого выше отношения высоты к стороне основания), а также от размеров треугольника или линии, соединяющей призмы из пленки в центре структуры. График изменения потенциальной энергии демонстрирует две потенциальные ямы, соответствующие двум стабильным состояниям. Если система, находящаяся в одном из этих состояний, начинает испытывать изменения, она оказывается «пойманной в ловушку», пока энергия не достигнет определенного уровня, при котором возможен «перескок» на другое состояние.
Исследователи видят связь своего простого примера со сложными метастабильными состояниями в пенистых материалах, а также твердых веществах, используемых для изоляции и упаковки. По их мнению, проведенные исследования помогут лучше понять макроскопические свойства этих веществ.
