När frysande droppar påverkar en yta, de brukar antingen hålla fast vid det eller studsa bort. Att kontrollera detta svar är avgörande för många applikationer, inklusive 3D-utskrift, sprutning av vissa ytbeläggningar, och förhindrande av isbildning på strukturer som flygplansvingar, vindturbiner, eller kraftledningar.

Nu, MIT -forskare har hittat en överraskande ny vridning till mekaniken som är inblandad när droppar kommer i kontakt med ytor. Medan de flesta undersökningar har fokuserat på sådana ytor hydrofoba egenskaper, det visar sig att deras termiska egenskaper också är av avgörande betydelse - och ger en oväntad möjlighet att "justera" dessa ytor för att möta de exakta behoven hos en given applikation. De nya resultaten presenteras idag i tidningen Naturfysik , i en rapport av MIT docent i maskinteknik Kripa Varanasi, tidigare postdoc Jolet de Ruiter, och postdoc Dan Soto.

"Vi hittade något mycket intressant, "Förklarar Varanasi. Hans team studerade egenskaperna hos en vätska - i det här fallet droppar smält metall - fryser på en yta. "Vi hade två substrat som hade liknande vätningsegenskaper [tendensen att antingen sprida sig eller rinna upp på en yta] men olika termiska egenskaper." Enligt konventionellt tänkande, hur droppar agerade på de två ytorna borde ha varit liknande, men istället visade det sig vara dramatiskt annorlunda.

På kisel, som leder värme mycket bra, som de flesta metaller gör, "den smälta metallen bara ramlade av, "Säger Varanasi. Men på glas, vilket är en bra värmeisolator, "metalldropparna fastnade och var svåra att ta bort."

Fyndet visade att "vi kan kontrollera vidhäftningen av en droppe som fryser på en yta genom att kontrollera de termiska egenskaperna" för den ytan, han säger. "Det är en helt ny metod" för att bestämma hur vätskor interagerar med ytor, han lägger till. "Det ger oss nya verktyg för att kontrollera resultatet av sådana vätske-fasta interaktioner."

För att förklara skillnaden i värmeledningsförmåga för olika material, Varanasi ger exemplet med två golvytor, en av sten, en annan av trä. Även om båda har exakt samma temperatur, om du trampar med bara fötter på skogen, det kommer att kännas varmare än stenen. Det beror på att stenen har högre värmeeffektivitet (den hastighet med vilken ett material kan utbyta värme) än trä, så det drar värmen bort från dina fötter snabbare, får det att kännas kallare.

Experimenten i studien utfördes med smält metall, vilket är viktigt i vissa industriella processer, såsom de termiska sprutbeläggningarna som appliceras på turbinblad och andra maskindelar. För dessa processer, beläggningens kvalitet och enhetlighet kan bero på hur väl varje liten droppe fäster vid ytan under avsättningen. Resultaten gäller troligen också alla typer av vätskor, inklusive vatten, Säger Varanasi.

Vid beläggning av ytor, "hur droppar påverkar och bildar sprickor dikterar själva beläggningen. Om den inte är perfekt, det kan ha en enorm inverkan på delens prestanda, som ett turbinblad, "Varanasi säger." Våra resultat kommer att ge en helt ny förståelse för när saker fastnar och när de inte gör det. "

De nya insikterna kan vara användbara både när det är önskvärt att droppar fastnar på ytor, som i vissa typer av 3D-skrivare, för att se till att varje tryckt lager fäster ordentligt vid det föregående lagret, och när det är viktigt att förhindra att droppar fastnar, som på flygplanets vingar i isigt väder. Forskningen kan också vara till hjälp för rengöring och avfallshantering av additiv tillverkning och termiska sprutprocesser.

Soto säger att upptäckten kom till när laget studerade den lokala frysmekanismen vid gränssnittet mellan vätskan och substratet, med hjälp av en termisk höghastighetskamera som avslöjade snabba effekter under kylningsprocessen som hade varit omöjliga att se vid längre tidsskalor. Bilderna visade en progressiv utveckling av fransar runt dropparnas ytterkanter. "Då insåg vi att droppen oväntat kröp ihop och lossnade från ytan när den frös, "säger han. De beskrev detta fenomen som" självskalande "av dropparna.

"De viktigaste ingredienserna för detta fenomen, "säger de Ruiter, "är samspelet mellan kort tidsvätskedynamik, som sätter vidhäftningen, och längre tidsskaliga termiska effekter, vilket leder till global deformation. "Teamet utvecklade en designkarta som fångar upp olika möjliga resultat (stickning, självskalande, eller studsande) när det gäller viktiga termiska egenskaper:droppe- och substrateffektivitet, och temperaturer.

Eftersom graden i vilken droppar fastnar eller inte beror på materialets termiska egenskaper, det är möjligt att skräddarsy dessa egenskaper baserat på applikationen, Soto säger. "Vi kan tänka oss scenarier där termiska egenskaper kan justeras i realtid genom elektriska eller magnetiska fält, så att ytans klibbighet till droppar som påverkar kan justeras. "

Fästresultatet kan också kontrolleras helt enkelt genom att ändra dropparnas och ytans relativa temperaturer, laget hittade. I många fall, dessa förändringar är kontraintuitiva:Till exempel, medan man kan förvänta sig att det enda sättet att förhindra fastklämning av frysande droppar är genom att värma ett substrat, laget hittade en ny regim, där kylning av ytan också kan leda till samma resultat.