Förflyttningen av droppar på ytor påverkas också av elektrostatiska krafter, som forskare nu har upptäckt. Kredit:Rüdiger Berger / MPI-P
Något så enkelt som vattendroppars rörelse på ytor borde faktiskt förstås – skulle man kunna tro. Faktum är att det fortfarande finns många obesvarade frågor om krafterna som verkar på en glidande droppe. Ett team av forskare från Max Planck Institute for Polymer Research i samarbete med kollegor från TU Darmstadt har nu upptäckt:Förutom ytenergi och viskös friktion i droppen spelar även elektrostatik en betydande roll. Resultaten publicerades nyligen i tidskriften Nature Physics .
Regndroppar träffar bilrutan och vinden trycker dropparna åt sidan. Än idag har ingen kunnat förutse exakt hur dropparna rör sig på vindrutan. Ändå är en sådan förståelse viktig inom många områden, såsom autonom körning:Till exempel ska kameror installerade i vindrutan hålla ett öga på vägen och trafiksituationen - för detta måste vindrutans yta utformas så att ett sätt att dropparna helt blåses ner av luftströmmen och sikten förblir fri även i regn. Andra exempel med motsatt tecken är applikationer där droppar behöver fastna på ytor, som sprayfärg eller bekämpningsmedel.
"Tills nu har det antagits att ytbeläggningen var ansvarig för hur droppen rör sig på en yta - det vill säga de första molekylära lagren", säger prof. Hans-Jürgen Butt, som är chef för "gränssnittens fysik". avdelning vid Max Planck Institute for Polymer Research. Till exempel beror det på ytan om en sfärisk eller en platt droppform bildas. Om droppen gillar ytan trycker den sig platt på den för att få så mycket kontakt som möjligt. Om den inte gillar ytan, som i fallet med den välkända lotuseffekten, kryper den ihop sig. Det var också tydligt att när en droppe rör sig, kommer viskös friktion – dvs. friktion mellan de individuella vattenmolekylerna – uppstår i droppen, vilket också påverkar dess rörelse.
Elektrostatik orsakar skillnader i hastighet
Teamet av forskare vid MPI for Polymer Research fann att varken kapillär- eller viskoelastiska krafter kan förklara skillnaderna i hastigheten med vilken droppar rör sig över olika ytor. Frågor väcktes särskilt av det faktum att dropparna rinner i olika hastigheter på olika substrat – även om dessa substrat har en identisk ytbeläggning, där inga skillnader kan förväntas. Forskarna introducerade därför först en mystisk "extra kraft". För att spåra det, Xiaomei Li, en Ph.D. elev på Hans-Jürgen Butts avdelning, anordnade ett dropplopp. "Jag filmade dropparna på olika substrat, tog fram hastighets- och accelerationsprofiler från deras rörelse, räknade ut krafterna som redan var kända för att beräkna kraften som vi ännu inte hade tittat på", förklarar hon.
Det häpnadsväckande resultatet:den beräknade kraften stämmer överens med en elektrostatisk kraft som forskarna beskrev först i en modell för några år sedan. "Genom att jämföra de experimentella resultaten med denna numeriska modell kan vi förklara tidigare förvirrande droppbanor", säger Jun.-Prof. Stefan Weber, gruppledare på Butts avdelning.
Om tidigare neutrala droppar glider över en isolator kan de bli elektriskt laddade:Så elektrostatik spelar en betydande roll där. På ett elektriskt ledande substrat, å andra sidan, släpper droppen omedelbart sin laddning tillbaka till substratet. "Den elektrostatiska kraften, som ingen tidigare hade övervägt, har därför stor inverkan:den måste tas med i beräkningen för vatten, vattenhaltiga elektrolyter och etylenglykol på alla testade hydrofoba ytor", sammanfattar Weber. Forskargruppen har nu publicerat resultaten i tidskriften Nature Physics . Dessa resultat kommer att förbättra kontrollen av dropprörelser i många applikationer, från utskrift till mikrofluidik eller vattenhantering till kraftgenerering via droppbaserade minigeneratorer. + Utforska vidare
