Ett nytt sätt att kontrollera hur vätskor torkar på ytor vilket kan ge fördelar för en rad industrier, har upptäckts av forskare från Northumbria University och The Open University.

Resultaten från forskargruppen har publicerats idag, Onsdagen den 11 april, av tidskriften Naturkommunikation .

Vattenstämplar kvarstår när en droppe torkar på en fast yta, till exempel, när regndroppar torkar på ytan av en bil, eller när vatten torkar på ett vinglas efter diskning.

Det sätt på vilket vattenstämplar visas på en yta är okontrollerbart eftersom formen och platsen för en droppe när den avdunstar är oförutsägbar. Detta sätter gränser för många applikationer, som bläckstråleutskrift, där en bläckdroppe kan lämna en förvrängd form på papper, och mikroteknik, där vattenstämplar kan förstöra prestandan hos känsliga mikrostrukturer.

Dock, forskarna från Northumbria Universitys Smart Materials and Surfaces Laboratory, och Öppna universitetets institution för matematik och statistik, har hittat ett nytt sätt att kontrollera formen och platsen för torkande droppar för första gången, känd som "snap evaporation".

När en droppe avdunstar på en fast yta, dess kant "pinnar" och "depins" på ett okontrollerat sätt. Denna effekt uppstår på grund av den mikroskopiska grovheten hos den kala fasta ytan. Dock, forskarna kunde kontrollera hur dropparna torkade, genom en kombination av vågig solid geometri och en ultraslät ytbehandling.

Deras resultat kan ha en inverkan på många vardagliga tillämpningar – t.ex. bilindustrin skulle kunna behandla bilytor annorlunda för att minimera vattenstämplar, och smartphone- och datorindustrin skulle kunna förbättra effektiviteten hos mikroheatpipes, som tar bort värme från mikroprocessorer.

Dr Gary Wells, Universitetslektor vid Northumbria University, sa:"En ägglåda är ett exempel på en vågig fast substans:den har återkommande toppar och dalar som bildar ett vågigt mönster. Vi 3D-printade ett sådant vågigt mönster och täckte dess grova yta med ett tunt smörjmedelsskikt. Den resulterande kompositytan behåller den vågiga formen, men blir "ultrasmjuk".

"När vi lämnade vattendroppar att avdunsta på dessa vågiga ytor, de drog sig till en början tillbaka från det fasta materialet på ett smidigt sätt, som man kan förvänta sig för en perfekt slät solid. Dock, den vågiga ytan gör att dropparna "snäpper" vid specifika punkter, ändra sin position och form. Detta är ett nytt sätt att avdunsta, som vi har kallat "snap evaporation".

"Anmärkningsvärt nog, denna process är mycket reproducerbar, och vi har funnit att själva utformningen av det vågiga mönstret kan styra droppens position och form."

Anledningen till snapbeteendet ligger i bifurkationsteorin, en gren av matematiken som studerar hur ett system – i det här fallet droppen – reagerar på en förändring av en kontrollparameter – i detta fall en reduktion av massan på grund av avdunstning.

Dr Marc Pradas, Lektor vid Öppna universitetet, förklarade:"Huvudtanken bakom vår teori är att konfigurationen som en droppe tar på ett vågigt fast mönster inte är unik. Det finns olika former och positioner som samma mängd vätska kan uppta på ett givet vågmönster.

"Under avdunstning, massan av en droppe förändras, och det visar sig att det som var en stabil droppform och position blir instabil. Vid denna tidpunkt, som är känd som en bifurkation, droppen måste ändra sin form och position. Den vågiga ytan fungerar som en ratt, guidar droppen till nästa stabila konfiguration efter att ett snäpp har inträffat."

Dr Rodrigo Ledesma-Aguilar, Docent vid Northumbria University, tillade:"Konsekvenserna av vår studie kan ha en inverkan i många vardagliga tillämpningar, och vi arbetar för närvarande med industriella partners som kan dra nytta av vår forskning.

"Till exempel, vi arbetar med Jaguar Land Rover för att utveckla nya strategier som minimerar vattenstämplar på bilars ytor. Ett annat exempel är vårt samarbete med Sustainable Energy Systems, som kan dra nytta av våra resultat genom att förbättra effektiviteten hos värmeavlägsnande system som används i mikroprocessorer som CPU:er och GPU:er."

De fullständiga resultaten av forskningen finns i tidningen Snap evaporation of droplets on smooth topography som publiceras i Naturkommunikation .