Experimentellt tillvägagångssätt och det fastsittande fallet. (A) Skiss av den experimentella inställningen för binär dropppåverkan på superamphiphobiska ytor. Nålen är fixerad för att ställa in slaghöjden i Z-riktningen och det relativa avståndet mellan de fasta och stötande dropparna. Den fastsittande droppen centreras först längs YZ-planet. Sedan, den stötande droppen matas ut från nålen medan stöten övervakas med kamera 2. Kamera 1 används för att bestämma dropparnas relativa positioner i X-riktningen. Kamerorna och ljuskällorna är inriktade för att observera påverkan både i XZ- och YZ-planen. Insättningar:(i) SEM-bild av en sotmallad yta vid två förstoringar. (ii) Hexadekandroppe (V ≈ 3 μl) vilande på den superamfifoba ytan. Den orangea konturen är lösningen av ekv. 1 för ett motsvarande Obligationsnummer Bo =0,3. (iii) Konfokal bild som visar en droppe hexadekan på den superamphiphobiska ytan. Bilden illustrerar droppens skenbara kontaktvinkel med ytan (Θapp ≈ 164°). Bilden är tagen i reflektionsläge, dvs. inget färgämne tillsattes till hexadekanen. Reflektion av ljus beror på skillnaderna mellan brytningsindexen för hexadekan (1,43), luft (1,0), och glas och kiseldioxid (~1,46). Det superamfifoba lagret består till största delen av luft, och sålunda, dess brytningsindex är nära 1. Därför det horisontella glas-superamfifoba skiktet och det hexadekan-superamfifoba skiktets gränssnitt är synliga. Det superamfifoba lagret i sig är synligt som ett diffust mönster, som ett resultat av reflektionen av ljus från kiseldioxidnanopartiklarna. (B) Bild som visar en kollision utanför centrum. Islagsparametern är χ =d/(2R). Fotokredit:Olinka Ramírez-Soto, Max Planck Institutet för polymerforskning. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aba4330
Kolliderande droppar är allestädes närvarande i vardagliga teknologier som förbränningsmotorer och sprayer, och i naturliga processer som regndroppar och i molnbildning. Kollisionsresultaten beror på kollisionshastigheten, grad av inriktning, inneboende egenskaper för ytspänning och en lågvätande yta. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Olinka Ramírez-Soto och ett team av forskare inom polymerforskning, vätskedynamik, kemi- och materialteknik i Tyskland, Nederländerna och USA undersökte dynamiken hos en oljedroppe som träffar en identisk fast droppe på en superamfifob yta. En superamfifob yta är analog med superhydrofobicitet (vattenavstötning), även om det kan stöta bort både polära och opolära vätskor. Med hjälp av numeriska simuleringar, teamet återskapade rebound-scenarier för att kvantifiera hastighetsprofilerna, energiöverföring och viskös avledning i experimentuppställningen. Detta arbete visade påverkan av anslagshastighet på studsdynamik för oljekollisioner droppe-på-droppe på superamfifoba ytor.
Undersöker drop-on-drop-påverkan
När en vätskedroppe träffar en stillastående droppe av en identisk vätska, den intuitiva förväntan är att båda dropparna ska smälta samman eller kombineras. Denna process är vanlig med regn och droppar från en läckande kran, men ibland kan ett tunt lager luft mellan två droppar göra att vattendroppar kan studsa perfekt från hydrofila (vattenälskande) ytor istället. På 1800-talet, forskaren och ingenjören Osborn Reynolds registrerade och krediterade först glidrörelsen av vattendroppar över en pool till detta fenomen. Ett ångskikt är på samma sätt ansvarigt för Leidenfrost-effekten, där en droppe svävar över en överhettad yta.
Trots experimentell karakterisering av påverkans dynamik, metoder för att kvantitativt modellera hastighetsfälten och energiöverföring saknas. Studier av drop-on-drop-påverkan på superamfifoba ytor hämmas för närvarande av ett begränsat antal tekniker för att designa icke-vätande ytor. Det är därför viktigt att förstå vilka scenarier som avgör dropp-på-droppe-effekten av olja på en superamfifob yta och hur energi överförs mellan dropparna. I den här studien, Ramírez-Soto et al. experimentellt och numeriskt studerat dynamiken hos en oljedroppe med låg ytspänning som träffar en fast vätska av liknande sammansättning vilande på superamfifob yta. Teamet visade hur den påverkande oljedroppen kunde lyfta den vilande droppen från ytan utan att koalescera.
Ögonblicksbilder av slagdynamiken. Observera att släppetiketterna 1 och 2 är för den slagande och sittande droppen, respektive. Sex utfall (fall I till VI) observeras vid variation av effektparametern χ och Weber -numret (We). Raderna motsvarar olika slagparameter för I till IV. Kolumnerna visar karakteristiska stadier av kollisionsprocessen. A, precis vid kollision; B, sittande droppe vid maximal kompression; C, droppform strax före separation eller koalescens; D, slutresultatet av effekten. Höjden på massans centrum av den stötande, fastsittande, eller sammanförda droppar är maximal. Volymen av båda dropparna är 3 μl. Fall I:We =1,30 och χ =0,01, tidsstämplarna för varje bildruta är tA =0 ms, tB =8 ms, tC =20 ms, och tD =25 ms. Fall II:Vi =1,53, x =0,08; tA =0 ms, tB =8 ms, tC =20 ms, och tD =24 ms. Fall III:Vi =1,44, x =0,24; tA =0 ms, tB =8 ms, tC =20 ms, och tD =24 ms. Fall IV:Vi =1,48, x =0,52; tA =0 ms, tB =5,5 ms, tC =7 ms, och tD =21 ms. Fall V:We =5,84, χ =0,08; tA =0 ms, tB =3,75 ms, tC =8,5 ms, och tD =25,5 ms. Fall VI:Vi =1,43, x =0,03; tA =0 ms, tB =7,5 ms, tC =9 ms, och tD =17 ms. Fotokredit:Olinka Ramírez-Soto, Max Planck Institutet för polymerforskning. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aba4330 
Forskarna genomförde fyra rebound-experiment utan koalescens. I det första scenariot, båda dropparna studsar; i två andra scenarier, den påverkande droppen återhämtar sig medan den sessila droppen kvarstår, och i det slutliga scenariot återupptar den sessila droppen medan den påverkande droppen förblir ytbunden. Under experimenten, Ramírez-Soto et al. placerade försiktigt en fast oljedroppe på en superamfifob yta och slog den med en andra identisk droppe. De skapade den superamfifoba ytan med hjälp av ett 20 µm tjockt lager av malt ljussot, som innehöll ett poröst nätverk av kolnanopärlor. För att öka stabiliteten i det ömtåliga nätverket, de avsatte ett lager av kiseldioxid på de porösa nanostrukturerna. De sänkte ytenergin på den sotmallade ytan genom fluorering för att producera en superamfifob yta som stötte bort vatten och de flesta oljor. Forskarna använde hexadekan som modellolja under experimenten på grund av en myriad av gynnsamma egenskaper inklusive Newtonskt beteende och registrerade vinkeln på en droppe hexadekan med konfokalmikroskopi. Studien jämförde kvantitativt experimentella och numeriska data för rebounddynamiken. Ramírez-Soto et al. beräknade och bekräftade värdet på droppens form med hjälp av Young-Laplace-ekvationen.
Experimentell video av fall I för hexadekandroppar:studsande av stötande droppe. (Weber nummer -
Experimentella resultat och numeriska simuleringar.
Teamet observerade sex resultat för påverkansdynamik. Under påverkan, båda dropparna deformerades och spreds radiellt för att visa axiell kompression, medan systemets kinetiska energi överförs till ytenergierna för båda. När dropparna började dra sig tillbaka, den tidigare fastsittande droppen överförde energi tillbaka till den stötande droppen i form av kinetisk energi. Efter kollision, den slagande droppen studsade bort, medan den sittande droppen stannade på substratet. Forskarna höll ett konstant Weber -tal ( Vi ~ 1,5) för alla sex observerade fall; där parametern typiskt karakteriserade finfördelningskvaliteten hos en spray eller den resulterande droppstorleken hos emulsioner. De plottade sedan frontlinje-inriktningen (betecknad X) och ökade Weber-talet för sammansmältning av droppar i experimentuppställningen. De krediterade resultatet till instabilitet i luftskiktet mellan dropparna som ett resultat av direktkontakt under experimentella förhållanden.
Energibudget. Den tidsmässiga variationen av energiöverföring belyser olika stadier av dropp-på-dropp-påverkan vid We ~1. Initialt, all energi lagras som den mekaniska energin för den stötande droppen och ytenergin för den fastsittande droppen. Sedan, den mekaniska energin i systemet minskar och överförs till dropparnas ytenergi. Denna överföring följs av ett återhämtningssteg där ytenergi överförs tillbaka till systemets mekaniska energi. En del av energin går förlorad som viskös avledning. Denna viskösa avledning anser att den kombinerade energin försvinner både i vätskedropparna och den omgivande luften. Denna beräkning inkluderar luftlagren mellan dropparna och mellan dropparna och det superamfifoba substratet. Under påverkan, dropparna (A) fall I:χ =0, (B) fall II:χ =0,08, (C) fall III:χ =0,25, och (D) fall IV:χ =0,625. Em är den totala mekaniska energin i systemet (Em =Ek + Ep), Es är ytenergin för de två dropparna, och Ed är den viskösa spridningen i systemet. Observera att den totala mekaniska energin (Em) inkluderar energin för dropparnas massacentrum såväl som de svängnings- och rotationsenergier som erhålls i referensramen som translaterar med de individuella dropparnas massacentrum. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aba4330
Ramírez-Soto et al. genomförde sedan direkta numeriska simuleringar (DNS) för att illustrera effekten av hastighetsfält och energiöverföring mellan droppar och jämförde resultaten med experimentdata. Teamet använde metoden för geometrisk volym av vätska (VOF) och bevarade ett ändligt lager av luft mellan dropparna under hela processen för att efterlikna experimentella förhållanden för att uppnå icke-koalescerande droppar med hjälp av simuleringar. Teamet körde de första fyra simuleringarna och kvantifierade hastighetsvektorfälten för varje fall; resultaten kommer att göra det möjligt att kvantitativt utforska dynamiken i oljekollisionsprocessen droppe-på-droppe.
Energibudget
I samtliga fall, den stötande droppen innehöll energi som mekanisk energi (i form av kinetisk och potentiell energi) och som ytenergi hos den fastsittande droppen. Systemets mekaniska energi minskade sedan och överfördes till ytenergin hos de kombinerade dropparna. Ett återställningssteg följde på överföringen, där ytenergi överförs tillbaka till systemets mekaniska energi, medan en del av energin försvann i form av viskös avledning. Denna process stod för den kombinerade energin som försvann i vätskedropparna och till den omgivande luften. The calculations also accounted the layer of air between drop-on-drop contact as well as between drop-on-superamphiphobic substrate. The numerical simulations provided a quantitative description of impact dynamics, where a strong agreement existed between the drop boundaries and experimental mechanical energies.
Experimental video of Case V (five) for hexadecane drops:coalescence of drops and lift-off of coalesced drop. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aba4330
På det här sättet, Olinka Ramírez-Soto and colleagues combined systematic experiments and numerical simulations to predict and control the outcome of binary oil drop impacts on low-adhesion surfaces. The experimental and numeric one-on-one comparisons revealed the drop boundaries and center of mass mechanical energies, while illustrating the power of direct numerical simulations. The study highlighted how the alignment of droplet impact alone could be used to determine the recovered energy distribution between two drops after impact.
© 2020 Science X Network
