Физики раскрыли секрет того, почему кофе-латте имеет необычную слоистую структуру, и выяснили, как можно создать аналогичный узор в практически любой жидкости и даже в желеобразных материалах, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
"Различные природные узоры являются одним из самых интересных и красивых феноменов, изучением которых мы можем заниматься. Самоорганизующиеся системы, такие как волны на поверхности воды, колебания пламени, симметричные и при этом сложные снежинки, давно привлекают внимание людей. Нечто похожее происходит и тогда, если залить кофе-эспрессо в чашку теплого молока и превратить его в слоеное латте", — пишут Говард Стоун (Howard Stone) из Принстонского университета (США) и его коллеги.
Многие объекты окружающего мира, в том числе снежинки, облака, "ведьмины круги" в лесах и в африканских саваннах, а также то, как завиваются усы огурцов, формируются извилины на поверхности мозга и кишечник укладывается в петли, выглядят сложно, но при этом их можно описать при помощи достаточно простых математических формул. Их "автором" являются или силы природы, или же эволюция, искавшая идеальные пути решения каких-то сложных проблем на протяжении многих миллионов лет.
Физики, математики и химики активно изучают подобные "эксперименты природы" в надежде понять, как они работают, и использовать эту информацию для решения каких-то сложных инженерных или научных задач.
Стоун и его коллеги заинтересовались другой похожей проблемой, автором которой уже является человек, а не силы природы – загадкой того, как формируются слои с разной окраской в стакане с кофе-латте.
В самом упрощенном виде, как подчеркивают физики, ученые достаточно давно понимают, как "работает" латте. Оно возникает из-за того, что кофе и молоко имеют разную плотность и разогреты до разных температур, и их взаимодействие заставляет большую часть кофе всплыть, а молоко – скопиться в нижней части бокала.
С другой стороны, ученые не могли понять, почему хаотическая смесь двух жидкостей, пусть и обладающих разными свойствами, постепенно превращается в упорядоченный набор светлых и темных полосок с примерно одинаковыми концентрациями кофе и молока.
Для ответа на этот вопрос ученые, как они выражаются сами, сварили лабораторный "латте" – смесь из подкрашенной дистиллированной воды, игравшей роль кофе, и крепкого рассола, исполнявшего роль молока. Вливая это "кофе" в "молоко", ученые наблюдали за движением подкрашенных потоков воды и пытались понять, что ими управляет.
Как оказалось, рождением "латте" управляет всего три параметра – скорость, с которой вливается "кофе" в "молоко", и разница в температурах и плотностях жидкостей. Если все эти три переменных правильно подобраны, то внутри смешивающихся жидкостей возникает два противоборствующих процесса, похожих на конвекцию, "круговорот" воды в кипящем чайнике, работа которых обеспечивается разницей в плотности и в температуре и той, и другой жидкости.
Это противоборство заставляет латте разбиться на множество слоев в том случае, если "кофе", более легкая жидкость, вливается в сосуд с "молоком", плотной субстанцией, с достаточно высокой скоростью, благодаря которой часть "кофе" смешивается с "молоком" по мере движения основного потока жидкости вглубь стакана.
Эти слои, как отмечают ученые, являются необычно стабильными – они сохраняются на протяжении нескольких дней, и они могут восстанавливаться даже в тех случаях, если готовое "латте" слегка размешать. Что интересно, аналогичные свойства, как отмечают ученые, проявляют некоторые арктические озера и прочие водоемы, состоящие из множества слоев пресной и соленой воды.
Вооружившись этими математическими идеями, ученые "раскрасили" прозрачное желе, введя в него горячий гель, заполненный зеленой краской. Подобным образом, как предполагают ученые, можно изготовлять и другие, более сложные слоистые структуры, в том числе аналоги различных тканей тела человека, сложные химикаты и различные промышленные материалы.
