Mikroskopiska klyftor som bildar ett hav av koniska taggiga toppar stiplar ytan på ett material som kallas svart kisel. Även om det är vanligt förekommande inom solcellsteknik, lyser svart kisel också upp i månsken som ett verktyg för att studera fysiken kring hur vattendroppar beter sig.
Svart kisel är ett superhydrofobt material, vilket betyder att det avvisar vatten. På grund av vattnets unika ytspänningsegenskaper glider droppar över texturerade material som svart kisel genom att åka på en tunn luftfilmsspalt som är fångad under. Detta fungerar utmärkt när dropparna rör sig långsamt – de glider och glider utan problem.
Men när droppen rör sig snabbare verkar någon okänd kraft dra i dess underliv. Detta har stört fysiker, men nu har ett team av forskare från Aalto-universitetet och ESPCI Paris en förklaring, och de har siffrorna för att backa upp den.
Aalto-universitetets biträdande professor Matilda Backholm är den första författaren till artikeln som beskriver dessa resultat, publicerad den 15 april i Proceedings of the National Academy of Sciences . Detta gjorde hon under sin tid som postdoktor i professor Robin Rass grupp för mjuk materia och vätning vid institutionen för tillämpad fysik.
"När man observerar interaktioner mellan vatten och yta, finns det vanligtvis tre krafter som spelar:kontaktlinjefriktion, viskösa förluster och luftmotstånd. Det finns dock en fjärde kraft som uppstår från rörelsen av droppar på mycket hala ytor som svart kisel. Denna rörelse skapar faktiskt en skjuvningseffekt på luften som är instängd under, vilket resulterar i en dragliknande kraft på själva droppen. Denna skjuvkraft har aldrig förklarats tidigare, och vi är de första att identifiera den, säger Backholm>
Den komplexa växelverkan mellan vätske- och mjukämnesfysik visar sig vara utmanande att förenkla till skurna och torkade formler. Men Backholm har lyckats utveckla en teknik för att mäta dessa små krafter, förklara hur kraften fungerar och slutligen tillhandahålla lösningen för att helt eliminera dragkraften.
Att skapa bättre superhydrofoba ytor skulle göra världens transportsystem mer aerodynamiska, medicinsk utrustning mer steril och generellt förbättra halkan hos allt som kräver en vätskeavvisande yta.
Svart kisel utnyttjar vattnets specifika ytspänning för att minimera kontakten mellan droppen och ytan. Koner etsade på underlaget gör att vattendropparna glider på en luftfilmsspalt, känd som en plastron. Men i en kontraintuitiv vändning leder själva mekanismen som gör det möjligt för hydrofoba ytor att avleda vattendroppar också till den skjuvningseffekt som beskrivs i Backholms tidning.
"Fältet har gjort dessa extremt hala ytor genom att minska längdskalan på konerna för att göra dem mindre och rikligare. Men ingen har slutat för att inse," Hej, vi jobbar faktiskt emot oss själva här." I själva verket leder etsning av kortare koner på den svarta kiselytan till en större luftskjuvningseffekt, säger Backholm.
Andra forskare har noterat förekomsten av denna kraft men har inte kunnat förklara den. Backholms fynd föranleder en omprövning av hur ultrahala ytor är utformade. Hennes teams lösning var att lägga till högre kottar med texturerade lock på den svarta kiselytan för att ytterligare minimera den totala kontaktytan för dropparna.
"Detta arbete bygger på rikedomen av expertis från forskargruppen för mjuk materia och vätning i ämnet superhydrofoba ytor. Sällan dyker det upp möjligheten att till fullo förklara subtiliteterna hos de mikroskopiska krafterna som är involverade i vätningsdynamiken, men den här artikeln åstadkommer just detta, säger Ras.
Backholm anpassade en unik mikropipettmätteknik för att mäta krafterna som verkar mot vattendropparna. Hon är expert på dessa mikropipettkraftsensorer, efter att ha använt dem för att mäta tillväxtdynamiken hos växtrötter, simbeteendet hos mesoskopiska räksvärmar och nu för att observera krafterna i rörliga vattendroppar.
Genom mödosam finjustering kunde hon använda denna teknik för att få ett genombrott för att identifiera skjuvningseffekten. Backholm oscillerade droppen och sonden för att upptäcka de subtila krafterna som ryckte under.
"Vi har också uteslutit möjligheten att det finns några andra krafter i spel vid kontaktlinjen genom att köra samma test på kolsyrade droppar. Dessa droppar avger ständigt koldioxid, vilket får dem att sväva något ovanför ytorna de sitter på. Ändå uppmättes skjuveffekten vid vissa hastigheter, vilket i slutändan bekräftar att denna kraft verkar oberoende av sin kontakt med den svarta kiselytan, säger Backholm.
Backholm förväntar sig att dessa fynd ytterligare kommer att göra det möjligt för fysiker och ingenjörer att utveckla hydrofoba ytor med bättre prestanda.
Mer information: Matilda Backholm et al, Toward vanishing droplet friction on repellent ytor, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315214121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Aalto University
