«Формирование структуры латте удивительно, потому что оно эволюционирует из хаотичного, начального вливания и смешивания жидкостей в очень организованное, отчетливое расположение слоев», — сказал Нан Сюэ, ведущий автор статьи, описывающей результаты в Nature Communications, и аспирант лаборатории Говарда Стоуна, профессора Дональда Р. Диксона ’69 и Элизабет У. Диксон в Принстоне.Методы доводки для получения желаемых слоев путем перетекания жидкостей друг в друга могут снизить затраты и снизить сложность в ряде областей применения.«С производственной точки зрения процесс однократной заливки намного проще, чем традиционное последовательное наложение слоев в многослойном продукте», — сказал Стоун. «В одном из приложений этого исследования мы исследуем физику, лежащую в основе создания всей слоистой структуры за один шаг, а не наложения слоев один за другим».Вдохновением для исследовательского проекта послужила отправленная по электронной почте фотография слоеного кофейного напитка, отправленная Стоуну.
В то время как Сюэ искал проект, которым он мог бы заняться, когда начал свою дипломную работу, он сначала исследовал концепцию, приготовив латте в лаборатории, используя купленные в магазине кофе и молоко.После нескольких попыток Сюэ стало ясно, что соблюдение только определенных параметров, таких как температура и скорость разлива, позволяет приготовить характерный латте для кофе. Эти усилия намекали на лежащую в основе, поддающуюся количественной оценке физику, которая должна была участвовать в формировании его жидкой структуры.
Чтобы более точно контролировать свою модель наслоения латте, Сюэ и его коллеги выбрали альтернативный рецепт, который заставил бы бариста вздрогнуть: окрашенная вода вместо горячего кофе и соленая, более плотная вода для теплого молока.Затем панель из светодиодов и камера освещали и фиксировали движение жидкостей внутри смеси. Исследователи добавили в смесь индикаторные частицы, которые рассеивали свет от зеленого лазерного луча, для дальнейшего отслеживания внутренней динамики искусственного латте. Этот метод называется велосиметрией изображения частиц.
Наконец, было проведено численное моделирование для сравнения собранных данных с различными моделями развивающейся системы перемешивания жидкостей.Общий анализ показал, что основным механизмом расслоения является явление, известное как двойная диффузионная конвекция. Это происходит, когда наложенные друг на друга жидкости разной плотности под действием силы тяжести перемешивают свое содержимое и обмениваются теплом за счет движения составляющих их материалов. В данной смеси более плотные и холодные жидкости опускаются, а более легкие и горячие жидкости поднимаются.
Однако это опускание и подъем прекращается, когда локальная плотность в области внутри латте приближается к равновесию. В результате жидкость там должна течь горизонтально, а не вертикально, создавая четкие полосы или слои.В ходе своих экспериментов исследователи выяснили, какое значение имеет скорость впрыскивания теплого молока.
Если наливать слишком медленно, более плотная жидкость будет смешиваться слишком равномерно, поскольку она перетекает в менее плотную жидкость. Более высокая скорость разливки заставляет первые пробивать вторые и запускать быстрые движения, которые достигают высшей точки в желаемом наслоении, когда устанавливается равновесие плотности.Необходима дополнительная работа, чтобы охарактеризовать эффект наслоения, демонстрируемый в латте, чтобы распространить контроль над ним на другие выровненные жидкости и полутвердые продукты. Но предварительные результаты Сюэ и его коллег уже показали, как активность в обычном напитке может привести к необычным выводам.
«Этот результат демонстрирует красоту механики жидкости и очень важен», — сказал Детлеф Лозе, профессор механики жидкости в Университете Твенте в Нидерландах, который не принимал участия в исследовании. «Я думаю, что это будет иметь отношение к различным промышленным потокам и процедурам смешивания в так называемых технологических процессах, в которых смешивание жидкостей с разной плотностью путем нагнетания одной жидкости в другую является повсеместным явлением».Лозе далее указал, как исследования в Принстоне могут помочь лучше объяснить зависящие от тепла и солености потоки воды в огромных океанах Земли — явление, которое имеет ключевое значение для климатологии и экологии. «Самым удивительным открытием может быть то, что существует идеальная аналогия между наслоением в латте в кафе, — сказал Лозе, — и известным и чрезвычайно актуальным наслоением воды с разной температурой и концентрацией соли в океане».Среди других авторов статьи — Сепидех Ходапараст, Лайлай Чжу, Джанин Нуньес и Хёнсу Ким, работающие в лаборатории Стоуна в Принстоне. Чжу также является аффилированным лицом с Центром Linne Flow и Шведским исследовательским центром электронной науки Королевского технологического института KTH в Стокгольме.
Ким также является сотрудником факультета машиностроения Корейского передового института науки и технологий в Деджоне, Южная Корея. Работа поддержана Национальным научным фондом, Швейцарским национальным научным фондом и Шведским исследовательским советом.