Tiden går från den vänstra bilden till den högra bilden, där kolumnen längst till höger av bilder representerar droppar som uppvisar maximal spridning. a) släpphöjden för droppen z =10 mm, (b) z =100 mm, (c) z =700 mm. Upphov:biträdande professor Yukihiro Yonemoto
Japanska forskare har lyckats härleda en teoretisk formel som kvantitativt förutspår vätnings- och spridningsbeteende hos droppar som kolliderar med ett plant materials plana yta. Även om beteendet hos droppar som kolliderar med en fast yta ser enkelt ytligt ut, det är faktiskt ganska komplicerat på grund av sammanhängande faktorer som ytjämnhet, flytande rörelse, och vätbarhet (enkel vätskehäftning) av den fasta ytan av vätskan. Förr, forskare från hela världen har försökt göra kvantitativa förutsägelser om omfattningen av våta områden genom experiment, teori och numerisk analys, men förutsägelse, särskilt vid långsamma kollisioner, ännu inte förverkligats.
Droppkollisioner på fasta ytor är nyckeln till många industriella tillämpningar, som bläckstråleskrivare, bränsleinsprutare och spraykylning. Det maximala vätnings- och spridningsområdet för droppar efter kollision är en av de viktigaste parametrarna som påverkar kvaliteten och effektiviteten hos sådan utrustning.
Det maximala vätnings- och spridningsområdet för en droppe varierar också beroende på droppens beskaffenhet, hastigheten med vilken droppen slår, och arten av det fasta ämne som det slår på. Till exempel, när en droppe kolliderar med glas eller teflon, det maximala vätnings- och spridningsområdet kommer att vara annorlunda. Hur lätt en vätska vidhäftar till en yta beror på ytans vätbarhet. Vätbarheten hos droppar som fäster vid en fast yta kännetecknas av den tangentiella dynamiska balansekvationen (Young -ekvationen) vid kontaktlinjen.
I tidigare teoretiska studier om det maximala vätnings- och spridningsområdet för kollisionsdroppar, endast balansekvationen för kontaktlinjen i tangentiell riktning övervägdes. Det fanns inga relationsuttryck för att förutsäga den maximala vätnings- och spridningsytan för en droppe under ett brett spektrum av pågående hastighetsförhållanden. Vanligtvis, två metoder används för att göra beräkningar, en när kollisionshastigheterna är höga och en andra när hastigheterna är låga. Dock, den konventionella metoden som används för höghastighetskollisioner genererar stora fel vid låga hastigheter, och den konventionella metoden som används för kollisioner med låg hastighet ger stora fel vid höga hastigheter.
Kumamoto -universitetets forskares nya teoretiska modell tar hänsyn till den normala komponenten i flytande ytspänning utöver den tangentiella komponenten. Upphov:biträdande professor Yukihiro Yonemoto
För att minska beräkningsfel, ett samarbete mellan Kumamoto University och Kyoto University forskare fokuserade på normal ytspänning på kontaktlinjen, och energibalansen för droppar som kolliderar med fasta ytor. Medan du gör det, de övervägde nackdelarna med att använda konventionella metoder för att utvärdera den viskösa energispridningen som orsakas av vätskerörelse inuti en droppe vid kollisionstillfället, och härledde en ny teoretisk formel.
Denna formel förutsäger kvantitativt det maximala vätnings- och spridningsområdet när droppar kolliderar med olika typer av fasta ämnen, såsom silikongummi eller superhydrofoba substrat. Vidare, forskarna bekräftade att det kan appliceras inte bara på millistorlek utan även på mikrodroppar.
Plot som visar effektiviteten av en ny teoretisk modell för att förutsäga spridningsområdet för en vattendroppe på en fast yta i jämförelse med tidigare konventionella modeller. Upphov:biträdande professor Yukihiro Yonemoto
"Nyligen, nanoskala tillverkningsteknik för halvledarsubstrat med bläckstråle -teknik har väckt stor uppmärksamhet, "sade biträdande professor Yukihiro Yonemoto vid Kumamoto University, som leder studien. "Observationer av nanoskala fenomen, dock, kräver dyr experimentell utrustning, och förutsägelse genom numerisk analys kräver specialiserad teknik. Genom att använda en enkel metod för att förutsäga det maximala vätande spridningsområdet för en droppe efter kollision, vi kan förvänta oss att realisera effektivare kretsdesigner, bland annat. "Droppar som träffar ytan på ett plant fast material kommer inte bara att sträcka sig och spridas, men kommer också att delas upp i finare droppar (stänkfenomen) om energin vid en kollision är stor. Forskare vid Kumamoto University och Kyoto University arbetar för närvarande med en teori som anser att dessa fenomen kommer att förlänga resultaten av deras forskning ytterligare.
Detta fynd publicerades online i open access journal Vetenskapliga rapporter den 24 maj 2017.
