_ Fizicienii explică și elimină, forță necunoscută care târăște împotriva picăturilor de apă de pe suprafețele superhidrofobe

Abisuri microscopice care formează o mare de vârfuri conice zimțate înțepenesc suprafața unui material numit siliciu negru. Deși se găsește în mod obișnuit în tehnologia celulelor solare, siliciul negru luminează, de asemenea, lumina lunii ca instrument pentru studiul fizicii modului în care se comportă picăturile de apă.

Siliciul negru este un material superhidrofob, ceea ce înseamnă că respinge apa. Datorită proprietăților unice ale tensiunii superficiale ale apei, picăturile alunecă peste materiale texturate, cum ar fi siliciul negru, călărind pe un spațiu subțire de film de aer prins dedesubt. Acest lucru funcționează grozav când picăturile se mișcă încet — ele alunecă și alunecă fără probleme.

Dar când picăturile se mișcă mai repede, o forță necunoscută pare să-i tragă de sub burtă. Acest lucru i-a dezamăgit pe fizicieni, dar acum o echipă de cercetători de la Universitatea Aalto și ESPCI Paris au o explicație și au cifrele pentru a o susține.

Profesorul asistent la Universitatea Aalto Matilda Backholm este primul autor a lucrării care detaliază aceste constatări, publicată pe 15 aprilie în Proceedings of the National Academy of Sciences. Ea a condus acest lucru în perioada în care a fost cercetător postdoctoral în cadrul grupului de materie moale și umectare al profesorului Robin Ras din cadrul Departamentului de fizică aplicată.

„Când observăm interacțiunile apă-suprafață, există de obicei trei forțe în joc: contactul - frecarea liniei, pierderile de vâscos și rezistența aerului. Cu toate acestea, există o a patra forță care apare din mișcarea picăturilor pe suprafețe foarte alunecoase, cum ar fi siliciul negru, de fapt, creează un efect de forfecare asupra aerului prins dedesubt Forță asemănătoare picăturii în sine. Această forță de forfecare nu a fost niciodată explicată până acum și suntem primii care o identifică”, spune Backholm.

Interacțiunile complexe ale fizicii fluidelor și materiei moi se dovedesc dificil de simplificat. în formule tăiate și uscate. Dar Backholm a reușit să dezvolte o tehnologie care să măsoare aceste forțe minuscule, să explice cum funcționează forța și, în sfârșit, să ofere soluția pentru eliminarea totală a forței de rezistență.

Crearea de suprafețe superhidrofobe mai bune ar face sistemele de transport ale lumii mai mult. aerodinamice, dispozitivele medicale mai sterile și, în general, îmbunătățesc alunecitatea oricărui lucru care necesită o suprafață rezistentă la lichide.

Siliciul negru exploatează tensiunea superficială specifică a apei pentru a minimiza contactul dintre picătură și suprafață. Conurile gravate pe substrat fac picăturile de apă să alunece pe un spațiu de peliculă de aer, cunoscut sub numele de plastron. Dar, într-o întorsătură contraintuitivă, însuși mecanismul care permite suprafețelor hidrofobe să devieze picăturile de apă duce, de asemenea, la efectul de forfecare subliniat în lucrarea lui Backholm.

„Câmpul a făcut aceste suprafețe ultra alunecoase reducând scara lungimii. a conurilor pentru a le face mai mici și mai abundente. Dar nimeni nu s-a oprit să-și dea seama: „Hei, de fapt lucrăm împotriva noastră”. De fapt, gravarea conurilor mai scurte pe suprafața de siliciu negru duce la un efect de forfecare a aerului mai mare”, spune Backholm.

Alți cercetători au observat existența acestei forțe, dar nu au reușit să o explice. Descoperirile lui Backholm determină o reconsiderare a modului în care sunt proiectate suprafețele ultra alunecoase. Soluția echipei ei a fost să adauge conuri mai înalte cu capace texturate pe suprafața neagră de silicon pentru a minimiza și mai mult suprafața totală de contact a picăturilor.

„Această lucrare se bazează pe bogata experiență din partea Soft Matter and Wetting. grup de cercetare pe tema suprafețelor superhidrofobe Rareori apare oportunitatea de a explica pe deplin subtilitățile forțelor microscopice implicate în dinamica umezirii, dar această lucrare realizează tocmai asta", spune Ras.

Backholm a adaptat o tehnică unică de măsurare cu micropipetă pentru a măsura forțele care acționează împotriva picăturilor de apă. Ea este expertă în acești senzori de forță cu micropipete, care i-a folosit pentru a măsura dinamica de creștere a rădăcinilor plantelor, comportamentul înot al roiurilor mezoscopice de creveți și acum în observarea forțelor din picăturile de apă în mișcare. reglaj fin, ea a putut folosi această tehnică pentru a face o descoperire în identificarea efectului de forfecare. Backholm a oscilat picătura și sonda pentru a detecta forțele subtile care se trag de dedesubt.

„De asemenea, am exclus posibilitatea ca și alte forțe să fie în joc la linia de contact, executând aceleași teste pe picături carbogazoase. Aceste picături eliberează constant dioxid de carbon, făcându-le să leviteze ușor deasupra suprafețelor pe care stau, chiar și în continuare, efectul de forfecare a fost măsurat la anumite viteze, confirmând în cele din urmă că această forță acționează independent de contactul ei cu suprafața de siliciu negru. spune Backholm.

Backholm se așteaptă că aceste descoperiri vor permite fizicienilor și inginerilor să dezvolte suprafețe hidrofobe cu performanțe mai bune.

(Fluierul)