En ny studie ledd av forskare från University of Minnesota Twin Cities visar varför vätskedroppar har förmågan att erodera hårda ytor, en upptäckt som kan hjälpa ingenjörer att designa mer erosionsbeständiga material. Bilden ovan visar de slag som droppar kan göra på en granulär, sandig yta (vänster) jämfört med en hård gipsyta (höger). Kredit:Cheng Research Group, University of Minnesota
En första studie i sitt slag ledd av forskare vid University of Minnesota Twin Cities avslöjar varför vätskedroppar har förmågan att erodera hårda ytor. Upptäckten kan hjälpa ingenjörer att designa bättre, mer erosionsbeständiga material.
Med hjälp av en nyutvecklad teknik kunde forskarna mäta dolda storheter som skjuvspänningen och trycket som skapas av vätskedroppars påverkan på ytor, ett fenomen som bara någonsin har studerats visuellt.
Uppsatsen publiceras i Nature Communications .
Forskare har studerat effekten av droppar i åratal, från hur regndroppar träffar marken till överföring av patogener som covid-19 i aerosoler. Det är allmänt känt att långsamt droppande vattendroppar kan erodera ytor med tiden. Men varför kan något som verkar mjukt och flytande göra så stor inverkan på hårda ytor?
"Det finns liknande talesätt i både österländska och västerländska kulturer att 'Droppande vatten urholkar sten'", förklarade Xiang Cheng, senior författare på tidningen och docent vid University of Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science. "Sådana ordspråk avser att lära ut en moralisk läxa:'Var uthållig. Även om du är svag, när du fortsätter att göra något kontinuerligt, kommer du att påverka." Men när du har något så mjukt som droppar som träffar något så hårt som stenar, kan du inte låta bli att undra, 'Varför orsakar droppstöten någon skada överhuvudtaget?' Den frågan är det som motiverade vår forskning."
Tidigare har dropppåverkan endast analyserats visuellt med hjälp av höghastighetskameror. Forskarnas nya teknik vid University of Minnesota, kallad höghastighetsspänningsmikroskopi, ger ett mer kvantitativt sätt att studera detta fenomen genom att direkt mäta kraften, spänningen och trycket under vätskedroppar när de träffar ytor.
Forskarna fann att kraften som utövas av en droppe faktiskt sprider sig med den stötande droppen - istället för att koncentreras till droppens mitt - och hastigheten med vilken droppen sprider sig överstiger ljudets hastighet vid korta tider, vilket skapar en chock våga över ytan. Varje droppe beter sig som en liten bomb, släpper ut sin slagenergi explosivt och ger den den kraft som krävs för att erodera ytor med tiden.
Förutom att bana ett nytt sätt att studera dropppåverkan, kan denna forskning hjälpa ingenjörer att designa mer erosionsbeständiga ytor för applikationer som måste klara utomhuselementen. Cheng och hans labb vid University of Minnesota Twin Cities planerar redan att utöka denna forskning för att studera hur olika texturer och material förändrar mängden kraft som skapas av vätskedroppar.
"Till exempel målar vi ytan på en byggnad eller belägger vindkraftverksblad för att skydda ytorna," sa Cheng. "Men med tiden kan regndroppar fortfarande orsaka skador genom stötar. Så vår forskning efter detta dokument är att se om vi kan minska mängden skjuvspänning hos droppar, vilket skulle tillåta oss att designa speciella ytor som kan mildra stressen. "
Förutom Cheng inkluderade forskargruppen University of Minnesota kemiteknik Ph.D. student Ting-Pi Sun, University of Santiago, Chile biträdande professor Leonardo Gordillo och studenterna Franco Álvarez-Novoa och Klebbert Andrade, och O'Higgins University, Chile biträdande professor Pablo Gutiérrez. + Utforska vidare
