В недавних экспериментах и компьютерных моделях учёные столкнулись с удивительным явлением, которое напомнило яркие, сверкающие фейерверки. Эти "триповые" эффекты, выглядящие как вспышки цвета и формы в жидкой среде, возникают при взаимодействии двух несмешивающихся жидкостей — при этом создаются фантастические узоры, ранее наблюдавшиеся только в художественных инсталляциях и компьютерных визуализациях. На практике такие эффекты имеют важное значение для понимания процессов, происходящих в природе и технологии, а также могут открыть новые горизонты в области охраны окружающей среды и энергетики.

Эти загадочные "fireworks" — не результат случайных природных явлений, а сложные процессы, которые моделируются на компьютерах с помощью уравнений гидродинамики и динамики жидкостей. Исследователи изучали поведение двух несмешивающихся жидкостей, таких как вода и масло, обладающих разными вязкостями и поверхностными натяжениями. В экспериментальных установках жидкости вводились в микроскопические каналы или в ограниченные пространства, имитируя реальные условия, например, процессы заливки или закачки в геологические пласты.

Основная причина возникновения "фейерверков" — это эффект, известный как инстабильность Сафмана-Тейлора. В сущности, он описывает ситуацию, когда менее вязкая жидкость (например, газ или легкая жидкость) проталкивается в более вязкую, создавая характерные пальцы и узоры. Эти пальцы растут, ветвятся и формируют сложные кривые линии, чем и напоминают яркое, сверкающее шоу.

"Менее вязкая жидкость, внедряясь в более вязкую, вызывает образование сложных структур, которые выглядят как пламя фейерверка — их форма зависит от скорости проникновения, вязкостей и свойств жидкостей."

Несмотря на кажущуюся простоту, изучение феномена имеет масштабное значение. В частности, понимание поведения несмешивающихся жидкостей позволяет создавать эффективные системы хранения и утилизации углекислого газа (CO₂). Уже сегодня по всему миру реализуются проекты по захвату и хранению СО₂ для борьбы с глобальным потеплением — в 2024 году функционировало около 50 крупных предприятий, связанных с CCS (Carbon Capture and Storage — захват и хранение углекислого газа). Эти установки используют закачку CO₂ в глубинные геологические формации, где он взаимодействует с водами или породами, и при этом возможны появления подобных "фейерверков". Знание механизма их появления помогает повысить эффективность процесса и минимизировать риски утечек.

Особенно важно учитывать эффект Saffman-Taylor, который возникает при закачке газа в жидкую среду, например, воду или жидкие породы. В этом случае пальцы и узоры, похожие на пылающие искры, помогают понять, как контролировать процесс, чтобы избежать нежелательных дефектов или утечек. Например, если пальцы слишком широкие, то есть риск, что газ вернется в атмосферу, а если слишком тонкие — он может застрять внутри пласта, не достигнув цели. Это знание помогает инженерам оптимизировать параметры закачки и предусмотреть возможные сценарии развития событий.

Исследования показывают, что контроль над вязкостями и поверхностным натяжением — ключ к предсказанию и управлению процессами. Так, увеличение вязкости жидкости приводит к более медленному росту пальцев и меньшему количеству ветвлений, формируя более крупные и медленно развивающиеся "фейерверки". Наоборот, при снижении вязкости наблюдается образование множества тонких пальцев, которые быстро ветвятся и создают насыщенные, сложные узоры. Эти свойства можно использовать в практических задачах, например, при закачке жидкостей в геологические пласты или при визуализации процессов в нанотехнологиях.

В одном из недавних лабораторных экспериментов учёные использовали масляную фазу и воду, а также введение газа — углекислого или азота — для моделирования условий хранения СО₂. При медленном закачивании газа в жидкую среду проявлялись яркие "фейерверки" в виде тонких пальцев, растущих и ветвящихся. Эти узоры визуализировали, как различные параметры влияют на устойчивость системы и как можно снизить утечки. Аналогичные эксперименты проводятся и в промышленности — для оптимизации методов гидроразрыва, геотермальных процессов и даже в медицине при доставке лекарств в ткани, где важна контроль за движением жидкостей внутри организма.

Современные компьютерные симуляции позволяют предсказывать поведение жидкостей с высокой точностью, что открывает путь к созданию новых материалов и технологий. В будущем резкое улучшение методов моделирования поможет не только эффективнее реализовать процессы улавливания углекислого газа, но и разрабатывать инновационные системы охлаждения, нефтяные и газовые технологии, а также медицинские устройства. Эти "жидкие фейерверки" станут не только эффектным зрелищем, но и мощным инструментом для решения сложных инженерных и экологических задач.

Интригующие визуализации и качественные исследования подтверждают, что изучение взаимодействия несмешивающихся жидкостей, их instabilities и формирование пальцев — это ключ к пониманию сложных природных и технических процессов. Влияние этих знаний ощущается уже сегодня — от экологической безопасности до разработки новых методов утилизации отходов и снижения углеродного следа.