Välkommen till den fantastiska världen av mjuka underlag. Dessa material är gjorda av silikongeler och har samma konsistens som pannacotta – men utan den läckra smaken. De används i en rad applikationer, speciellt inom läkemedelsindustrin, eftersom deras biokompatibla och antiadhesiva egenskaper gör dem resistenta mot korrosion och bakteriell kontaminering. Dessa substrat är så mjuka att de kan deformeras (reversibelt) av de kapillärkrafter som uppstår vid dropparnas kanter när de placeras på deras ytor. Dock, droppar rör sig mycket långsamt på dessa ytor; för att flöda, dropparna måste dynamiskt deformera substraten och övervinna motståndet som skapas av substratets viskoelastiska egenskaper. En millimeterstor droppe placerad på ett substrat placerat vertikalt kommer att flöda med en hastighet av endast mellan några hundra nanometer per sekund och några dussin mikrometer per sekund. Med andra ord, det skulle ta droppen tre timmar att röra sig bara en meter! Denna bromsande effekt är känd som viskoelastisk bromsning och är ett stort hinder för den mer utbredda användningen av mjuka underlag, speciellt inom tillverkning.

Ett team av forskare vid EPFL:s Engineering Mechanics of Soft Interfaces (EMSI) laboratorium, inom ingenjörshögskolan, har visat att viskoelastisk bromsning kan övervinnas genom att placera små pelare på underlagets yta. Mer fundamentalt, forskarna kunde observera, för första gången, kontakten mellan en vätska och ett mjukt substrat i en komplex geometri. Deras resultat har just publicerats i PNAS .

En ny geometri

EPFL-forskarna använde en metod som redan används allmänt i vätningsprocesser:att ändra ett substrats ytstruktur så att det blir superhydrofobt. Mer specifikt, de täckte en gelyta med små pelare 100 µm höga och 100 µm breda, så att droppar som placeras på gelén bara ligger på stolparna - ungefär som en våghals som går på en nagelbädd. Titta på dropparna genom ett konfokalmikroskop, forskarna såg att pelarna deformeras när dropparna rör sig längs med dem. Vad mer, storleken på den fasta deformationen var nästan densamma som den som erhölls på en plan gelyta, vilket betyder att dropparna faktiskt hålls uppe av de hundratals små pelarna. Och även om deformationsstorlekarna var så nära, dropparna rörde sig med samma hastighet som de skulle på en hård yta.

"Dessa ändrade texturer "dödar" den viskoelastiska bromseffekten, även om det finns en ganska stor kontaktyta mellan vätskan och det fasta ämnet, säger Martin Coux, en av författarna till studien, tillsammans med prof. John Kolinski. "På grund av den unika geometrin hos kontaktpunkterna mellan vätskan och det fasta ämnet, höjt något över underlagets yta, dropparna antar konfigurationer som de vanligtvis inte skulle kunna göra på en mjuk yta. Det låter dem flyta längs substratet lika snabbt som de skulle göra på en hård yta." Med hjälp av EMSI:s höghastighetsmikroskop, forskarna kunde observera och förstå detta tidigare okända fenomen inom fundamental fysik.

Det är värt att påpeka att allt detta sker i mikrometrisk skala (de fasta deformationerna är i storleksordningen 1–100 µm). "Tack vare de framsteg som gjorts inom visningstekniken under de senaste tio åren, forskare kan nu se de deformationer som uppstår när vätskor kommer i kontakt med mjuka substrat – och inte bara statiskt (som när dropparna är stationära), men också dynamiskt, som när dropparna flyter på ytan, " säger Coux. Den här nya förmågan har gett ett uppsving för fysiker som är specialiserade på vätskemekanik, accelererade deras förståelse av elastokapillära interaktioner mellan mjuka substrat och vätskor, och satte EPFL-forskarna på vägen till deras banbrytande upptäckt.