Ibland, flytande droppar sjunker inte. Istället, de klättrar. Med hjälp av datasimuleringar, forskare har nu visat hur man kan få droppar att klättra i trappor helt själva.

Detta trappklättringsbeteende kan vara användbart i allt från vattenbehandling och nya lab-on-a-chip mikrofluidiska enheter, till biokemisk bearbetning och medicinska diagnostiska verktyg. Forskarna, från Indian Institute of Technology i Roorkee, Indien, och York University i Toronto, beskriv deras resultat den här veckan i tidningen Vätskans fysik .

För att få dropparna att klättra, denna nya forskning avslöjar att du behöver en trappa vars yta lättare vidhäftar varje droppe för varje steg. En yta på vilken en droppe lätt fastnar har en så kallad hög vätbarhet, får droppen att spridas ut och plattas ut. På en yta med låg vätbarhet, dock, droppen skulle förbli mer sfärisk, som regndroppar på en vattentät jacka.

Forskarna har tidigare använt en gradient av ökad vätbarhet för att locka droppar för att röra sig över en plan yta och till och med gå uppför en sluttning. En vattendroppe, till exempel, lockas mer till en hydrofil yta med sin större vätbarhet, så en lutning med en ökande hydrofil yta när den stiger kan "dra" en droppe uppför.

Verkliga ytor är aldrig helt släta, dock; i tillräckligt liten skala, en yta verkar så småningom grov. En lutning vid dessa vågar är faktiskt en mikroskopisk trappa. "De flesta ytor är strukturerade, och rörlighet för en droppe över sådana ytor kräver trappor, "sa Arup Kumar Das från IIT Roorkee.

För att utforska hur en droppe skulle kunna klättra i trappsteg-och därmed om denna teknik kan fungera på mer verkliga ytor-simulerade forskarna fysiken hos droppar i mikroliterstorlek på trappor med en vätbarhetsgradient.

Dessa droppar är bredare än längden på varje steg, så deras främre sida är på ett högre trappsteg med en mer vätbar yta, än den bakre sidan. Den främre delen av droppen sprider sig alltså mer, bildar en mindre, plattare vinkel mot ytan.

Skillnaden i vinklar mellan fram- och baksidan av klättringsdropparna gör att vätskan inuti droppen cirkulerar. När droppens framkant når nästa steg, cirkulationen driver droppen framåt, rinner över till nästa högre steg, och processen upprepar sig.

Om droppen har tillräckligt med kraft för att övervinna gravitationen beror på droppens storlek, stegens branthet och skillnaderna i vätbarhet. I allmänhet, en större droppe är bättre på att klättra i trappor, och för brantare steg, det måste finnas en högre vätbarhetsgradient.

Forskarna arbetar nu med experiment för att bekräfta simuleringsresultaten.

Många andra metoder för att kontrollera droppar är beroende av yttre krafter som temperaturvariationer, och elektriska och magnetiska fält. Men, Das förklarade, dessa metoder är ofta utmanande och komplexa. Den nya studien visar att passiva metoder som vätbarhet kan vara mer effektiva. "Passiva medel [vi] kan manipulera en droppe för att även klättra trappor hållbart utan att använda en yttre kraft, " han sa.