Физики объясняют и анализируют неизвестную силу, которая притягивает капли воды на высокогидрофобные поверхности

Микроскопические трещины, образующие море зубчатых конических пиков, выстилают поверхность материала, называемого черным кремнием. Хотя черный кремний обычно встречается в технологии солнечных батарей, он также используется в качестве инструмента для изучения физики поведения капель воды.

Черный силикон чрезвычайно гидрофобен, то есть отталкивает воду. Благодаря уникальным свойствам поверхностного натяжения воды, капли скользят по текстурированным материалам, таким как черный силикон, перемещаясь по тонкому зазору из воздушной пленки, захваченной под ним. Это прекрасно работает, когда капли движутся медленно, скользят и скользят без каких-либо препятствий.

Но когда капля движется быстрее, кажется, что ее нижнюю часть тянет неизвестная сила. Это озадачило физиков, но теперь у группы исследователей из Университета Аалто и ESPCI в Париже есть объяснение, и у них есть цифры, подтверждающие его.

Матильда Бакхольм, доцент Университета Аалто, является первым автором книги. бумага Подробности этих выводов опубликованы 15 апреля в журнале. Труды Национальной академии наук. Она сделала это во время работы в качестве постдокторанта в группе мягких материалов и смачивания профессора Робина Рааса на факультете прикладной физики.

«При наблюдении за взаимодействием воды с поверхностью обычно действуют три силы: трение по линии контакта, потеря вязкости и сопротивление воздуха. Однако существует четвертая сила, которая возникает из-за движения капель на очень скользких поверхностях, таких как черный силикон. .Это движение создает «оно фактически оказывает эффект сдвига на воздух, находящийся внизу, создавая силу, подобную сопротивлению, на самой капле. Эта сила сдвига никогда раньше не объяснялась, и мы первые, кто ее определил».

Сложные взаимодействия физики жидкости и мягкой материи оказалось трудно свести к шаблонным формулам. Но Бакхольму удалось разработать метод измерения этих небольших сил, объяснить, как работает сила, и, наконец, предложить решение, позволяющее полностью устранить сопротивление.

Эффект сдвига воздуха

Создание более водостойких поверхностей сделает мировые транспортные системы более аэродинамичными, медицинские устройства более стерильными и в целом улучшит скольжение всего, что требует водоотталкивающей поверхности.

Черный силикон использует удельное поверхностное натяжение воды, чтобы уменьшить контакт между каплей и поверхностью. Конусы, выгравированные на подложке, заставляют капли воды скользить по зазору между воздушной мембраной, известному как пластрон. Но, как ни странно, тот же механизм, который позволяет гидрофобным поверхностям отклонять капли воды, также приводит к эффекту сдвига, описанному в статье Бакхольма.

«Поле создавало эти очень скользкие поверхности, уменьшая диапазон длины конусов, чтобы сделать их меньше и больше, но никто не остановился, чтобы осознать: «Эй, на самом деле мы работаем здесь против самих себя». травление более коротких конусов на черной кремниевой поверхности для большего эффекта сдвига воздуха», — говорит Бэкхольм.

Другие исследователи заметили эту силу, но не смогли ее объяснить. Результаты Бакхольма побуждают пересмотреть подход к проектированию поверхностей с высокой степенью скользкости. Обходным решением ее команды было добавление более высоких конусов с узорчатыми колпачками на черную силиконовую поверхность, чтобы уменьшить общую площадь контактной поверхности капель.

«Эта работа основана на обширном опыте Исследовательской группы по мягким материалам и смачиванию по теме супергидрофобных поверхностей. Возможность полностью объяснить микроскопические силы, участвующие в динамике смачивания, возникает редко, но в этой статье именно это и достигается», — говорит Рас.

Специализированная технология

Бэкхольм адаптировал уникальную технику измерения микропипетками для измерения сил, действующих на капли воды. Она является экспертом в области датчиков силы на основе микропипеток: она использовала их для измерения динамики роста корней растений, плавательного поведения микроскопических косяков креветок, а теперь и для мониторинга сил, действующих на движущиеся капли воды.

Благодаря точной настройке мне удалось использовать эту технику для достижения прорыва в определении эффекта сдвига. Бэкхольм взмахнул каплей и зондом, чтобы выявить скрытые силы, тянущие под ней.

«Мы также исключили возможность действия каких-либо других сил на линии соприкосновения, проведя те же испытания на газообразных каплях. Эти капли постоянно выделяют углекислый газ, заставляя их слегка подниматься над поверхностями, на которых они находятся. Эффект был измерен сдвигом на определенных скоростях, что в конечном итоге подтвердило, что эта сила действует независимо от ее контакта с черной поверхностью кремния», — говорит Бэкхольм.

Бакхольм ожидает, что эти результаты позволят физикам и инженерам разрабатывать гидрофобные поверхности с лучшими характеристиками.