När du sprutar färg eller beläggningar på en yta, eller gödningsmedel eller bekämpningsmedel på grödor, storleken på dropparna gör stor skillnad. Större droppar kommer att driva mindre i vinden, så att de kan träffa sina avsedda mål mer exakt, men mindre droppar är mer benägna att fastna när de landar istället för att studsa av.

Nu, ett team av MIT-forskare har hittat ett sätt att balansera dessa egenskaper och få det bästa av båda – sprayer som inte driver för långt utan ger små droppar att fastna på ytan. Teamet åstadkom detta på ett förvånansvärt enkelt sätt, genom att placera ett fint nät mellan sprayen och det avsedda målet för att bryta upp droppar till droppar som bara är en tusendel så stora.

Fynden rapporteras idag i tidskriften Fysiska granskningsvätskor , i en artikel av MIT docent i maskinteknik Kripa Varanasi, tidigare postdoc Dan Soto, doktorand Henri-Louis Girard, och tre andra vid MIT och vid CNRS i Paris.

Tidigare arbete av Varanasi och hans team hade fokuserat på sätt att få dropparna att fästa mer effektivt på de ytor de träffar i stället för att studsa iväg. Den nya studien fokuserar på den andra änden av problemet – hur man får dropparna att nå ytan i första hand. Varanasi förklarar att vanligtvis mindre än 5 procent av de sprutade vätskorna faktiskt håller sig till sina avsedda mål; av de 95 procent eller mer som går till spillo, ungefär hälften är borta från drift och kommer aldrig ens dit, och den andra halvan studsar iväg.

Atomizers - enheter som kan spraya vätskor i form av droppar så små att de förblir suspenderade i luften snarare än att sedimentera - är avgörande delar av många industriella processer, inklusive målning och beläggning, spruta bränsle i motorer eller vatten i kyltorn, och utskrift med fina bläckdroppar. Det nya framsteg som utvecklats av detta team var att göra den första sprayen i form av större droppar, som är mycket mindre påverkade av vindar och mer benägna att nå sina mål, och sedan för att skapa de mycket finare dropparna precis innan de når ytan, genom att placera en nätskärm emellan.

Även om processen kan tillämpas på många olika sprutapplikationer, "Den stora motivationen är jordbruket, " säger Varanasi. Avrinning av bekämpningsmedel som missar sitt mål och faller på marken kan vara en betydande orsak till föroreningar och ett slöseri med dyra kemikalier. Vad mer, Inverkan av finare droppar är mindre sannolikt att skada eller försvaga vissa växter.

Jordbrukare täcker redan vissa typer av grödor med tygmaskor, för att skydda mot fåglar och insekter som slukar växterna, så processen är redan bekant och allmänt använd. Många typer av nätmaterial skulle fungera, forskarna säger - det som spelar roll är storleken på öppningarna i nätet och materialets tjocklek, parametrar som teamet exakt har kvantifierat genom en serie labbexperiment och matematisk analys. För sina experiment, forskarna använde i första hand ett allmänt tillgängligt och billigt fint rostfritt stålnät.

Forskarna föreslår att efter att ha placerat nätet över grödan, antingen direkt stödd av växtstjälkarna eller stödda på ett ramverk, en bonde kan helt enkelt använda en konventionell spruta som producerar större droppar, som skulle hålla kursen även under blåsiga förhållanden. Sedan, när dropparna når växterna, de skulle brytas upp av nätet till fina droppar, var och en cirka en tiondels millimeter i diameter, vilket avsevärt skulle öka deras chanser att sticka.

Som en extra bonus, närvaron av nätet över grödorna kan också skydda dem från skador från regnstormar, genom att även bryta upp regndropparna till mindre droppar som belastar plantan mindre när de slår till. Skördeskador från stormar, som i vissa fall allvarligt kan minska avkastningen, kan minska i processen, säger forskarna. Dessutom, större droppar orsakar mer stänk, vilket kan leda till spridning av patogener.

Förutom att vara effektivare, processen kan också minska problemet med avdrift av bekämpningsmedel, som ibland blåser från en bondes åker till en annan, och även från en stat till en annan, Varanasi säger, och hamnar också ibland i folks hem. "Folk vill fixa det här. De letar efter lösningar."

Samma princip skulle kunna tillämpas på andra användningsområden, Girard påpekar, såsom sprutning av vatten i kyltorn som de som används för elkraftverk och många industriella eller kemiska anläggningar. Att använda ett nät under spruthuvudena i sådana torn "kan skapa finare droppar, som avdunstar snabbare och ger bättre kylning, " säger han. Kylningseffektiviteten är relaterad till droppens yta, som är tre storleksordningar större med de finare dropparna, han säger.

I det senaste arbetet, Varanasi och hans team hittade ett sätt att återvinna mycket av vattnet som går förlorat genom avdunstning från sådana kyltorn, genom att använda en annan typ av mesh över tornens topp. Det nya fyndet skulle kunna kombineras med den metoden, vilket förbättrar kraftverkseffektiviteten på både ingångs- och utgångssidan.

För målning och för applicering av andra typer av beläggningar, ju finare dropparna är, ju bättre de täcker och fäster, Girard säger, så processen kan förbättra kvaliteten och hållbarheten hos beläggningarna.

Medan de flesta existerande finfördelningsmetoder är beroende av högt tryck för att tvinga vätska genom en smal öppning, som kräver energi för att skapa trycket, denna metod är rent passiv och mekanisk, säger Girard. "Här, vi låter nätet göra finfördelningen i princip gratis."