蔚蓝海岸大学和北海道大学的一组研究人员最近进行了一项研究，探索在水平液体膜朝下自由表面观察到螺旋图案的自发形成。它们所检测的表面需要瑞利-泰勒不稳定性，当较重的流体向下推较轻的流体时，瑞利-泰勒不稳定性会破坏两种密度不同的流体之间的界面。
研究人员观察到，这种不稳定性导致的液体流出可以以传播液体幕的形式发生，液体幕是在薄膜的圆形外围产生，呈现为向内旋转的螺旋臂。利用现象学构造的细胞自动机，证明了这些模式来自锁相，锁相导致液体在整个薄膜表面以恒定的流量间歇放电。大约15年前，Laurent Limat博士和同事们研究了液体柱在圆形盘子边缘自由移动的时空动力学。
博科园-科学科普：受到他们研究的启发，我们开始研究液体柱的二维组装，希望描述所有与对称性损失相关的次要不稳定性。我们只发现了一个这样的不稳定因素，但发现面对的是一个相当简单的系统，它表现出极其丰富的行为。在他们的研究中，Mathis和同事观察到，随着流速的增加，会产生一系列复杂的图案，包括规则的水滴六边形晶格，规则的柱六边形晶格，柱的时空断续行为，最后形成螺旋波的液体帘。使用的设备相当简单，主要由一个半封闭的圆柱形容器组成，硅油通过顶部的入口和底部的细网格不断地注入容器中。容器中含有一定量的油，由容器中负压的平衡和油的重量决定。
图片：H. N. Yoshikawa
容器中的过量液体通过栅极泄漏，在栅极下方形成液体膜。根据油的流速和粘度，这种薄膜以不同的方式失稳。在这个仪器内部，所有的东西都是由透明的PMMA制成，因为这使得使用合适的闪电进行观察和精确的视频测量变得容易。在一个足够高的流速下，液体帘就会出现，像波浪一样移动，最终缠绕在某个中心点上，形成旋转的旋臂，测量了每只臂的旋转频率、整个图案的旋转频率以及臂的长度。关键观测是通过打破系统的旋转对称性而自发形成螺旋。无论是在实验室实验中还是在自然界中，螺旋模式都可以在许多系统中找到。大多数螺旋图案都是旋转的，旋臂沿着旋转的方向。向相反方向旋转的图案非常罕见，被称为螺旋体。
图片：H. N. Yoshikawa
研究人员吉川春则(Harunori Yoshikawa)说：我们已经证明，反螺旋模式可以在一个简单的液体系统中产生，对于这个系统，我们知道所有的控制方程，对这一‘知名’系统的深入研究，将有助于深入了解反螺旋模式的罕见现象。吉川、马西斯和同事所做的实验可能为进一步探索反螺旋模式的表现形式铺平道路，此外研究可以为模式形成理论提供一个基准。现在的重点是理论建模，寻找合适的模型方程和相关参数的范围，我们希望从理论上揭示这些模式形成过程的基本特征。研究人员目前还在探索在系统中观察到的其他模式，因为向内旋转的螺旋只是他们观察到的模式之一。例如，液体柱的滴态和某些特殊的行为还没有得到广泛的研究。在马西丝、吉川和他们的同事进行的研究中，螺旋的动态似乎与液体薄膜本身的特性有关，还在进一步探索这一发现。
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参考期刊文献: 《物理评论快报 》
by Ingrid Fadelli/Phys
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.014502
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