Химия и Химики № 3 2016. Батавские слезки (небьющееся стекло). Prince Rupert's Drop (Dutch Tears)

Застывшая капелька стекла с длинным хвостиком - так выглядят "Батавские слезки" ("Болонские склянки"). Английское название - "Prince Rupert's Drop", или "Dutch Tears", украинское - "Голландські краплі". Особенное название эти капли получили не просто так, а благодаря необычным свойствам. Обычно стекло хрупкое и легко бьется при ударе металлическими предметами, но так бывает не всегда.

Если капля расплавленного стекла падает в воду, внешние слои капли быстро охлаждаются и твердеют, тем временем внутренние слои стекла еще остаются горячими. Затем охлаждается и внутренняя часть стекла: она сжимается, уже находясь внутри внешней твердой оболочки. В застывшей капельке возникают большие механические напряжения: внешняя оболочка подвергается сжатию, внутренняя часть капли - растяжению.

Фактически это закалка стекла. Стекло становится очень прочным, капля выдерживает удар молотка: не в пример стеклянному стакану или бутылке. Но внутренние механические напряжения никуда не деваются: стоит надломить хвостик капли (даже пальцами) и она взрывается или просто рассыпается в порошок. Прочность и непрочность в одном флаконе (вернее, в капле).

Как можно судить из описания, сделать "Батавские слезки" в домашних условиях не составляет труда. Для этого нужна стеклянная палочка, горелка и емкость с водой. В предыдущих опытах я использовал специальную горелку, предназначенную для работы со стеклом [1]. В этот раз пришлось обойтись обычной польской горелкой на пропан-бутановой смеси: она дает недостаточно большое и недостаточно жаркое пламя, но для опыта ее хватило.

Включил нагрев на максимум, внес в пламя стеклянную палочку, снизу был стакан с водой. Старался греть так, чтобы максимально нагревалась вся капля, а не только "перешеек": если стекло будет недостаточно нагрето в момент отрыва капли, последняя может растрескаться после попадания в воду.

Капли падали, будучи нагретыми до желтого свечения. При просмотре видео заметно, что капли оставались некоторое время желтыми даже после погружения под воду, и только после того, как они остывали, на поверхности имело место резкое вскипание воды (проявляется эффект Лейденфроста).

В результате получилось две застывших капельки с длинными хвостиками. Стоило надломить хвостик первой капли, и она взорвалась. Вторая капля выдержала два десятка ударов плоскогубцев по самой капле, но стоило надкусить плоскогубцами хвостик, и капля рассыпалась.

В прошлом Батавские слезки использовались в основном как забавные игрушки, но их исследованием занимались и серьезные ученые, в частности, Роберт Гук. Достоверно известно, что Батавские слезки изготавливали в Мекленбурге (север Германии) уже в 1625 г, но есть основания считать, что изобретены они были в Голландии, откуда и пошло название larmes bataviques или lacrymae Batavicae ("голландские слезы"). Батавские слезки впервые привез в Англию принц Руперт в 1660 г, с этим связано их название в англоязычной литературе "капли принца Руперта" ("Prince Rupert's Drop"), хотя последний не является их первооткрывателем.

Исследование разрушения Батавской слезки с помощью высокоскоростной камеры (до миллиона кадров в секунду) показали, что "фронт разрушения" зарождается в хвосте капли и движется в голову капли со скоростью 1.45-1.9 км/с (это сопоставимо со скоростью распространения волны детонации во взрывчатых веществах). Механическое напряжение внутри капли можно обнаружить с помощью поляризованного света (такой метод является распространенным способом контроля качества обычных изделий из стекла: механические напряжения в них недопустимы или нежелательны)

Оказалось, что образования, подобные Батавским слезкам, способны возникать при охлаждении вулканической лавы, что представляет научный интерес. Сами Батавские слезки исследовались, чтобы лучше понять процессы диспергирования магмы и образования вулканического пепла.

__________________________________________________
¹ Батавские слезки (небьющееся стекло). Prince Rupert's Drop (Dutch Tears) [ссылка]

Watch the video / Смотреть Видео (107 Мб, .avi )