Любой учёный знает, что противоположно заряженные тела притягиваются друг к другу, а одинаково заряженные отталкиваются. Уильям Ристенпарт (William Ristenpart) из университета Калифорнии в Дэвисе обнаружил, что и из этого, казалось бы, фундаментального правила есть исключения.

Ещё в 2005 году химик-технолог Ристенпарт проводил опыты со столбцом воды в масле. Он изучал изменение формы колонны, происходящее при приближении к заряженной пластине.

"Я случайно ошибся и вместо положенного среднего заряда поднял напряжение до нескольких киловольт. Систему закоротило, и вода будто взорвалась", — рассказывает Уильям. В результате мелкие капли воды разлетелись во все стороны заполненного маслом сосуда.

Ристенпарт также заметил, что противоположно заряженные шарики жидкости как будто отталкивались друг от друга. "Поначалу я не поверил своим глазам", — говорит Уильям. Оно и понятно, как и любой другой учёный, он был поражён и запутан увиденным.

Ристенпарт и его коллеги три года изучали феномен в лаборатории Ховарда Стоуна (Howard Stone) в Гарварде. Но чтобы понять, к каким выводам пришли учёные в своей статье в журнале Nature, необходимо для начала определиться с процессами, происходящими в обычной системе, где сталкиваются две капли воды с противоположным зарядом.

На рисунке слева показана экспериментальная установка (на самом деле водой обозначен 0,2 М раствор KCl). В зависимости от величины электрического поля происходит слияние (справа вверху) или отталкивание (справа внизу) капли воды и мениска (иллюстрация и фото W. Ristenpart et al./Nature).

Капли могут легко изменять свою форму. Когда при приближении друг к другу они начинают притягиваться, каждая образует на своей поверхности так называемый конус Тейлора (Taylor cone). При соприкосновении между бывшими шарами образуется своеобразный мостик.

Если заряд капель пересекает некое критическое значение, то мостик тоже образуется, но лишь на короткое время, после чего капли будто отскакивают друг от друга. Исследователи установили это, проведя математические расчёты и съёмку высокоскоростными видеокамерами (посмотреть можно здесь).

Оказалось, что заряд капель определяет параметры того самого конуса Тейлора. Если шар жидкости обладает небольшим или средним зарядом, образующийся конус получается коротким и широким (то есть с большим углом в вершине). В необычных условиях, когда заряд велик, – конус получается высоким и узким (малый угол).

При соприкосновении вершин конусов в месте контакта электрическое поле становится ничтожным, поскольку происходит перетекание зарядов. Таким образом, при образовании мостика именно форма первоначальных конусов определяет, сольются капли или нет.

Если заряд был небольшим, конусы невысокими, то поверхностное натяжение стремится соединить два шара в одно целое. Если же заряд велик, а мостик длинный и тонкий, то он легко рвётся из-за того, что поверхностное натяжение стремится разорвать контакт между двумя шарами.

Электрическая сила больше не удерживает капли поблизости, и они рикошетят друг от друга. Резюмируя, учёные заключают, что существует некое значение критического угла (или критического заряда), при котором капли уже не хотят сливаться и разбегаются.

Эксперимент с несколькими отталкивающимися каплями воды в масле. Красной стрелкой показаны места обмена зарядами. Масштабная линейка соответствует 0,5 миллиметра (иллюстрация и фото W. Ristenpart et al./Nature).

Данное открытие имеет большое значение не только для науки, но и для промышленности. Многие предприятия по всему миру используют электростатическое разделение воды и сырой нефти. Может, именно из-за открытого Ристенпартом явления ранее не удавалось добиться высокой эффективности очистки природных углеводородов (в непрозрачной нефти просто-напросто невозможно наблюдать отталкивание противоположно заряженных капель).