蔚藍海岸大學(xué)和北海道大學(xué)的一組研究人員最近進行了一項研究，探索在水平液體膜朝下自由表面觀察到螺旋圖案的自發(fā)形成。它們所檢測的表面需要瑞利-泰勒不穩(wěn)定性，當(dāng)較重的流體向下推較輕的流體時，瑞利-泰勒不穩(wěn)定性會破壞兩種密度不同的流體之間的界面。研究人員觀察到，這種不穩(wěn)定性導(dǎo)致的液體流出可以以傳播液體幕的形式發(fā)生，液體幕是在薄膜的圓形外圍產(chǎn)生，呈現(xiàn)為向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的螺旋臂。

利用現(xiàn)象學(xué)構(gòu)造的細胞自動機，證明了這些模式來自鎖相，鎖相導(dǎo)致液體在整個薄膜表面以恒定的流量間歇放電。大約15年前，Laurent Limat博士和同事們研究了液體柱在圓形盤子邊緣自由移動的時空動力學(xué)。

博科園-科學(xué)科普：受到他們研究的啟發(fā)，我們開始研究液體柱的二維組裝，希望描述所有與對稱性損失相關(guān)的次要不穩(wěn)定性。我們只發(fā)現(xiàn)了一個這樣的不穩(wěn)定因素，但發(fā)現(xiàn)面對的是一個相當(dāng)簡單的系統(tǒng)，它表現(xiàn)出極其豐富的行為。在他們的研究中，Mathis和同事觀察到，隨著流速的增加，會產(chǎn)生一系列復(fù)雜的圖案，包括規(guī)則的水滴六邊形晶格，規(guī)則的柱六邊形晶格，柱的時空斷續(xù)行為，最后形成螺旋波的液體簾。使用的設(shè)備相當(dāng)簡單，主要由一個半封閉的圓柱形容器組成，硅油通過頂部的入口和底部的細網(wǎng)格不斷地注入容器中。容器中含有一定量的油，由容器中負壓的平衡和油的重量決定。

容器中的過量液體通過柵極泄漏，在柵極下方形成液體膜。根據(jù)油的流速和粘度，這種薄膜以不同的方式失穩(wěn)。在這個儀器內(nèi)部，所有的東西都是由透明的PMMA制成，因為這使得使用合適的閃電進行觀察和精確的視頻測量變得容易。在一個足夠高的流速下，液體簾就會出現(xiàn)，像波浪一樣移動，最終纏繞在某個中心點上，形成旋轉(zhuǎn)的旋臂，測量了每只臂的旋轉(zhuǎn)頻率、整個圖案的旋轉(zhuǎn)頻率以及臂的長度。關(guān)鍵觀測是通過打破系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)對稱性而自發(fā)形成螺旋。無論是在實驗室實驗中還是在自然界中，螺旋模式都可以在許多系統(tǒng)中找到。大多數(shù)螺旋圖案都是旋轉(zhuǎn)的，旋臂沿著旋轉(zhuǎn)的方向。向相反方向旋轉(zhuǎn)的圖案非常罕見，被稱為螺旋體。

研究人員吉川春則(Harunori Yoshikawa)說：我們已經(jīng)證明，反螺旋模式可以在一個簡單的液體系統(tǒng)中產(chǎn)生，對于這個系統(tǒng)，我們知道所有的控制方程，對這一‘知名’系統(tǒng)的深入研究，將有助于深入了解反螺旋模式的罕見現(xiàn)象。吉川、馬西斯和同事所做的實驗可能為進一步探索反螺旋模式的表現(xiàn)形式鋪平道路，此外研究可以為模式形成理論提供一個基準(zhǔn)?，F(xiàn)在的重點是理論建模，尋找合適的模型方程和相關(guān)參數(shù)的范圍，我們希望從理論上揭示這些模式形成過程的基本特征。研究人員目前還在探索在系統(tǒng)中觀察到的其他模式，因為向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的螺旋只是他們觀察到的模式之一。例如，液體柱的滴態(tài)和某些特殊的行為還沒有得到廣泛的研究。在馬西絲、吉川和他們的同事進行的研究中，螺旋的動態(tài)似乎與液體薄膜本身的特性有關(guān)，還在進一步探索這一發(fā)現(xiàn)。

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參考期刊文獻: 《物理評論快報?》

by Ingrid Fadelli/Phys

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.014502

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