I många situationer, ingenjörer vill minimera kontakten av vattendroppar eller andra vätskor med ytor de faller på. Oavsett om målet är att hindra is från att byggas upp på en flygplansvinge eller ett vindturbinblad, eller förhindra värmeförlust från en yta under regn, eller förhindrar saltuppbyggnad på ytor som utsätts för havssprej, att få droppar att studsa iväg så snabbt som möjligt och att minimera mängden kontakt med ytan kan vara nyckeln till att systemen ska fungera korrekt.

Nu, en studie av forskare vid MIT visar ett nytt tillvägagångssätt för att minimera kontakten mellan droppar och ytor. Medan tidigare försök, inklusive av medlemmar i samma team, har fokuserat på att minimera den tid som droppen tillbringar i kontakt med ytan, den nya metoden fokuserar istället på den rumsliga omfattningen av kontakten, försöker minimera hur långt en droppe sprider sig innan den studsar iväg.

De nya fynden beskrivs i tidskriften ACS Nano i en uppsats av MIT-studenten Henri-Louis Girard, postdoc Dan Soto, och professor i maskinteknik Kripa Varanasi. Nyckeln till processen, de förklarar, skapar en serie upphöjda ringformer på materialets yta, som får den fallande droppen att stänka uppåt i ett skålformat mönster istället för att flöda ut platt över ytan.

Arbetet är en uppföljning av ett tidigare projekt av Varanasi och hans team, där de kunde minska kontakttiden för droppar på en yta genom att skapa upphöjda åsar på ytan, vilket störde spridningsmönstret för stötande droppar. Men det nya verket tar det här längre, uppnå en mycket större minskning av kombinationen av kontakttid och kontaktyta för en droppe.

För att förhindra isbildning på en flygplansvinge, till exempel, det är viktigt att få dropparna av stötande vatten att studsa iväg på kortare tid än vad det tar för vattnet att frysa. Den tidigare räfflade ytan lyckades minska kontakttiden, men Varanasi säger "sedan dess, vi upptäckte att det finns en annan sak på spel här, " vilket är hur långt droppen sprider sig innan den studsar tillbaka och studsar av. "Att minska kontaktytan för den träffande droppen bör också ha en dramatisk inverkan på överföringsegenskaperna för interaktionen, " säger Varanasi.

Teamet initierade en serie experiment som visade att upphöjda ringar av precis rätt storlek, täcker ytan, skulle få vattnet som sprider sig från en stötande droppe att stänka uppåt istället, bildar ett skålformat stänk, och att vinkeln på det uppåtgående stänket kunde kontrolleras genom att justera höjden och profilen på dessa ringar. Om ringarna är för stora eller för små jämfört med storleken på dropparna, systemet blir mindre effektivt eller fungerar inte alls, men när storleken är rätt, effekten är dramatisk.

Det visar sig att enbart minskning av kontakttiden inte är tillräckligt för att uppnå den största minskningen av kontakten; det är kombinationen av tid och kontaktområde som är avgörande. I en graf över kontakttiden på en axel, och kontaktområdet på den andra axeln, Det som verkligen betyder något är den totala ytan under kurvan – det vill säga, tidens produkt och kontaktens omfattning. Området för spridningen var "var en annan axel som ingen har rört" i tidigare forskning, säger Girard. "När vi började göra det, vi såg en drastisk reaktion, " som minskar droppens totala kontaktyta i tid och område med 90 procent. "Idén att minska kontaktytan genom att bilda "vattenskålar" har mycket större effekt på att minska den övergripande interaktionen än genom att enbart minska kontakttiden, " säger Varanasi.

När droppen börjar breda ut sig inom den upphöjda cirkeln, så fort den träffar cirkelns kant börjar den avböjas. "Dess momentum omdirigeras uppåt, Girard säger, och även om det till slut sprider sig utåt ungefär lika långt som det annars skulle ha gjort, det är inte längre på ytan, och därför inte kyler ytan, eller leder till isbildning, eller blockerar porerna på ett "vattentätt" tyg.

Själva ringarna kan tillverkas på olika sätt och av olika material, forskarna säger - det är bara storleken och avståndet som spelar roll. För vissa tester, de använde ringar 3-D tryckta på ett substrat, och för andra använde de en yta med ett mönster skapat genom en etsningsprocess liknande den som används vid tillverkning av mikrochips. Andra ringar tillverkades genom datorstyrd fräsning av plast.

Medan slag med droppar med högre hastighet i allmänhet kan vara mer skadliga för en yta, med detta system förbättrar de högre hastigheterna faktiskt omdirigeringens effektivitet, rensar ännu mer av vätskan än vid lägre hastigheter. Det är goda nyheter för praktiska tillämpningar, till exempel när det gäller regn, som har relativt hög hastighet, säger Girard. "Det fungerar faktiskt bättre ju snabbare du går, " han säger.

Förutom att hålla isen borta från flygplanets vingar, det nya systemet kan ha en mängd olika tillämpningar, säger forskarna. Till exempel, "vattentäta" tyger kan bli mättade och börja läcka när vatten fyller upp utrymmena mellan fibrerna, men när den behandlas med ytringarna, tyger behöll sin förmåga att släppa vatten längre, och presterade bättre överlag, säger Girard. "Det var en 50-procentig förbättring genom att använda ringstrukturerna, " han säger.