מים אוהבים אלכוהול, ולכן שני הנוזלים מתערבבים בקלות. שמן לעומת זאת, לא כל כך מסתדר עם מים. אז מה יקרה אם נערבב את שלושתם? התפרצות מרנגוני היא תופעה פיזיקלית יפהפייה שניתנת להדגמה על ידי ניסוי פשוט.

אם נניח טיפת מים קטנה על שכבה של שמן, הטיפה תקבל צורה שמזכירה עדשה, ותצוף על פני שכבת השמן. הסיבה לכך שמים ושמן לא מתערבבים היא ששמן הוא חומר הידרופובי, כלומר דוחה מים. כתבנו בעבר סדרה שלמה על חומרים הידרופוביים ואתם מוזמנים לקרוא על כך [1]. אם לעומת זאת, במקום טיפת מים נטפטף קצת אלכוהול על אותה שכבת שמן, האלכוהול יתפשט ויתאדה במהירות. זאת, מכיוון שאלכוהול מסתדר מצויין עם שמן, או ליתר דיוק, יש משיכה חזקה בין המולקולות של שני הנוזלים. רגע, אלכוהול מסתדר מצויין עם שמן אבל הוא מסתדר גם עם מים.

אז מה יקרה אם נטפטף תערובת של מים ואלכוהול על שכבה של שמן? לפני שאתם ממשיכים לקרוא, נסו לענות על שאלה זאת בעצמכם. זה הרי נשמע כל כך פשוט, איך יתכן שאף אחד לא בדק את זה קודם?!

קבוצת חוקרים מצרפת ובלגיה ניסו לענות על שאלה זאת, וערכו ניסוי פשוט, שבו הם טיפטפו טיפות מעורבבות של אלכוהול ומים שנצבעו בצבע מאכל כחול, על שכבה של שמן חמניות. התוצאה הייתה מפתיעה ביופיה, וכללה בתוכה עולם עשיר של פיזיקת זורמים ותופעות שפה שונות. החוקרים תיעדו את הניסויי בוידאו, והסרטון המרשים זכה בפרס ראשון ב- Gallery of Fluid Motion של האגודה האמריקאית לפיזיקה [2].

בסרטון, ניתן לראות טיפה המורכבת מתערובת של מים ואלכוהול, אשר פוגעת בפני השמן ומתחילה להתפשט במהירות. לאחר שהטיפה מגיעה לרדיוס מסויים היא נעצרת ומתחילה "לירות" טיפות קטנות לכל הכיוונים. לאחר זמן מה, רדיוסה מתחיל לקטון עד אשר לא נותר כלום מהטיפה המקורית פרט לאלפי טיפות קטנות ועגולות, שגודלן נע בין מילימטרים ספורים לעשרות מיקרונים.

אז מה גורם לטיפה הגדולה להתפרץ לכל הכיוונים באלפי טיפות קטנטנות?

כאשר הטיפה המקורית פגעה בפני השמן, היא התחילה להתפשט בגלל המשיכה בין השמן לאלכוהול. אך אלכוהול מתאדה הרבה יותר מהר ממים, ומכיוון שקצב האידוי הגבוה ביותר מתקבל בהיקף הטיפה (שכעת מזכירה יותר דיסקה), ריכוז האלכוהול שם יהיה נמוך יותר. למים יש מתח פנים גבוה יותר מלאלכוהול ולכן מתח הפנים בהיקף הטיפה יהיה גבוה יותר מאשר במרכזה, מה שיגרום לנוזל מהמרכז "להימשך" לעבר ההיקף. תנועת זורמים בגלל הפרשים במתח פנים נקראת אפקט מרנגוני, והיא מהווה את המנגנון המרכזי העומד מאחורי הניסוי. אתם מוזמנים לקרוא עוד על מתח פנים ואפקט מרנגוני [3]. ללא אפקט מרנגוני, הטיפה הייתה פשוט מתחילה לקטון ולהתאדות עד אשר לא היה נותר ממנה דבר.

בגלל זרימת הנוזל ממרכז הטיפה אל היקפה, נוצרת שם טבעת נוזלית עם ריכוז גבוה של מים וריכוז נמוך של אלכוהול. זוכרים שאמרנו שלמים יש מתח פנים גבוה? אז נוזל עם מתח פנים גבוה רוצה למזער את שטח הפנים שלו, ולטבעת נוזלית (שניתן לחשוב עליה כעל גליל) יש שטח פנים גבוה יותר מאשר לאוסף טיפות קטנות שמכילות יחדיו את אותה המסה. התהליך המוביל להתפרקות הטבעת נקרא אי-יציבות פלאטו-ריילי, והוא גם מהווה את הסיבה שזרם מים חלש שיוצא מברז המטבח שלנו, מתחיל כזרם רציף אך מתפרק להמון טיפות ככל שהזרם מתרחק מקצה הברז.

בכל פעם שטבעת הנוזל מתפרקת לטיפות, נוצרת במקומה טבעת חדשה מכיוון שטיפת האם ממשיכה לספק עוד ועוד נוזל ממרכזה לעבר הקצה, ומשגרת עוד ועוד טיפות מהיקפה, עד אשר כל האלכוהול מתאדה.

לניסוי פשוט זה ישנה חשיבות מדעית וטכנולוגית לא מבוטלת, מכיוון שהבנת תהליכי אידויי של טיפות קטנות הוא נושא מרכזי בטכנולוגיות המשתמשות בשכבות דקות של נוזלים, החל מתהליכי ציפוי תעשייתיים ועד מדפסות הזרקת דיו. כמו כן, מכיוון שניתן לשלוט בגודל הטיפות הנוצרות בהתפרצות מרנגוני על ידי שליטה ביחס בין כמות המים לאלכוהול, ניסוי זה יכול לשמש כמנגנון ליצירה מהירה של אלפי טיפות לשימוש במערכות מיקרו-זרימה [4].
מאמר המתאר את ממצאי הניסוי [5], פורסם בשנת 2017 בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters, והוא מהווה דוגמה לכך שניסוי פשוט יכול להכיל בתוכו המון מדע מרתק ומהפנט ביופיו.

מקורות ולקריאה נוספת:

[1] - על חומרים הידרופוביים באתר מדע גדול, בקטנה
[2] - סרטון יוטיוב המדגים את התופעה
[3] - על דמעות יין ואפקט מרנגוני באתר מדע גדול, בקטנה
[4] - "מעבדה על שבב" באתר מדע גדול, בקטנה
[5] - קישור למאמר המתאר את ממצאי הניסוי

קרדיט לתמונה: Etienne Reyssat