Exempel på vattenavvisande insekter utrustade med ytstrukturer i nanoskala med hög fast fraktion. (A) Optisk och svepelektronmikroskopi (SEM) bilder av myggögon, en springsvans, och cikadvingar som visar närvaron av ytstrukturer i nanoskala med hög fast fraktion (Fotokredit:L.W., Pennsylvania State University). (B) En plot som sammanfattar den fasta fraktionen Φs och motsvarande texturstorlek D för olika vattenavvisande insekter. Observera att den fasta andelen av olika insektsytor ligger i intervallet ~0,25 till ~0,64, vilket är betydligt högre än växtytornas (t.ex. Φs ~ 0,01). Felstaplar indikerar SD för fem oberoende mätningar. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb2307
Många naturliga ytor kan snabbt avge vattendroppar på grund av sin vattenavvisande funktion. 1945, forskarna Cassie och Baxter kopplade den vattenavvisande funktionen hos naturliga ytor till deras ytstrukturer. Användningen av texturer med låg fast fraktion (betecknad Φ s ) är därför en nyckelprincip för att designa vattenavvisande ytor. I det här arbetet, Lin Wang och ett team av forskare inom materialvetenskap, biomedicinsk teknik och maskinteknik vid Pennsylvania State University, USA minskade kontakttiden för studsande droppar på ytor med hög fast fraktion (dvs. Φs ~ 0,25 till 0,65) genom att minska ytstrukturens storlek till nanoskala. De visade hur höga fasta fraktionersytor med en texturstorlek under 100 nanometer kunde minska kontakttiden för studsande droppar med cirka 2,6 millisekunder (ms) jämfört med en texturstorlek över 300 nm. Den struktur- och storleksberoende minskningen av kontakttiden som observerats på fasta ytor är ett första-i-studieresultat i förhållande till befintliga teorier om ytvätbarhet. Wang et al. krediterade minskningen av droppkontakt på nanoskala ytor till den dominerande trefasiga kontaktledningsspänningen. Baserat på tryckstabilitetsexperiment, Teamet visade vidare hur fasta ytfraktioner bioinspirerades av insekter som kan motstå påverkan av regndroppar. Resultaten publiceras nu på Vetenskapens framsteg .
Nanoskaliga ytor har olika roller i biologiska organismer med betydelse för insekters överlevnad, exempel inkluderar antireflexegenskaper hos malögon, antidimbildning egenskaper hos myggor, självrengörande tekniker för cikader och anti-biopåväxt av trollslända. Den snabba avskiljningen av regndroppar på flygande insekter är också avgörande för deras överlevnad. Till exempel, varaktigheten av regndroppar på myggor var ungefär 0,5 till 10 ms; en tidsram av kombinerade aktiva och passiva droppavkastningsmekanismer. Växter och fjärilsvingar kan också upprätthålla mikroskalamönster för att bryta dropparnas inverkan i mindre bitar för att minska kontakttiden för dropparna. Dock, materialforskare måste fortfarande förstå hur den höga fasta andelen och strukturerna i nanoskala på vattenavvisande insektsytor kan orsaka snabb avskiljning av regndroppar vid kollisionen. För att utforska texturstorlekseffekter och vätske-fasta interaktioner, Wang et al. konstruerade en serie bioinspirerade, insektsliknande strukturerade ytor, belade dem med ett silanmonoskikt för att inducera ythydrofobicitet (vattenhatande natur) och genomförde en serie experiment.
Jämförelse av kontakttider för studsande vattendroppar på ytor med olika texturstorlek vid fast fraktion 
Under experimenten, teamet bibehöll Cassie-Baxter-tillståndet (heterogen ytvätning) med testvätskedropparna och jämförde kontakttiden för studsande vattendroppar på strukturerade ytor. Ytor med en texturstorlek mindre än 300 nm visade minskad kontakttid för studsande droppar. Den texturstorleksberoende minskningen av droppkontakt på fasta ytor var en första i studien jämfört med befintliga ytvätningsteorier.
I teorin, kontakttiden kan förutsägas i förhållande till vattnets densitet och ytspänning. När en vätskedroppe träffade en strukturerad yta, den spred sig till en maximal diameter och drogs tillbaka från ytan ungefär som en "vätskefjäder." På strukturerade ytor med låg fast fraktion, vätske-luft-gränsytspänningen hos droppen dominerade fjäderkonstanten för vätskefjädern. Under tiden kan alla bidrag från vätske-fasta interaktioner ignoreras. Dock, forskare kunde inte ignorera vätske-fasta interaktioner på strukturerade ytor med hög fast fraktion där Φ s motsvarade 0,44, på grund av ytterligare energi till följd av bildandet av trefasiga kontaktledningar under dropparna för att påverka deras studsande energier. För detta, Wang et al. betraktade den trefasiga kontaktledningsspänningen (τ), först introducerades av Gibbs på 1870-talet, där de experimentella mätningarna av τ berodde på det specifika system som undersöktes.
Jämförelse av kontakttid för studsande vattendroppar på strukturerade ytor. (A) Time-lapse-bilder av studsande vattendroppar (diameter d0 ~ 2,3 mm, Webernummer We ~ 31,6) på ytor med fast fraktion Φs =0,44. Droppen lossnade snabbare från ~100 nm texturer än den från ~300 nm texturer. D anger storleken på texturlocket för varje återinträdande pelare, och tc anger kontakttid. (B) Identiska droppkollisionsexperiment på ytor med fast fraktion Φs =0,25. Droppar lossnade samtidigt från båda ytorna. Infällningar som visar SEM-bilderna av tillverkade nanoskala återinträdande texturer. Skalstaplar i alla SEM-bilder, 200 nm; skalningsfält i den optiska bilden, 1 mm. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb2307
Kinematik för studsande droppar på strukturerade ytor och tryckstabiliteten hos ytor
För att ytterligare förstå minskningen av kontakttiden för droppar som påverkar ytor i nanoskala, Wang et al. undersökte kinematiken för studsande droppar baserat på spridnings- och indragningsprocesser. Medan dropparnas spridningshastigheter var lika på olika ytor, under indragningsfasen, dropparna tog längre tid att helt dra sig tillbaka från ytor med högre fasta fraktioner. Arbetet visade hur ökad fast fraktion därför ökade indragningstiden. Till exempel, en droppe på en superhydrofob svart kiselyta kan dras tillbaka med en konstant hastighet för att dropparna ska dra sig tillbaka i snabbast möjliga takt. Oväntat, därför, Wang et al. noterade superhydrofobt studsbeteende på 100 nm yttexturer med en fast fraktion på 0,44
Tryckstabilitet hos återinträdande texturerade ytor mot stötande regndroppar. (A) En faskarta som visar tryckstabiliteten hos återinträdande texturerade ytor mot stötande regndroppar som en funktion av texturstorlek och fast fraktion. För att stöta bort regndroppar, det kräver ett tillräckligt kapillärt tryck PC på strukturerade ytor för att motstå regndroppshammartrycket PH. P* definieras som förhållandet mellan PC och PH, dvs. P* =PC/PH. Observera att de texturerade ytorna är tryckstabila när texturstorleken D är liten vid hög fast fraktion Φs. Det visas att alla de geometriska parametrarna för ytstrukturerna på vattenavvisande insekter faller inom eller nära det tryckstabila regimen. (B) Experimentella resultat som visar droppar som påverkar återinträdande texturerade ytor med olika geometriska parametrar. Vattendroppar med sluthastighet ~4,0 m/s påverkade de återinträdande pelarna, vilket resulterar i ett vattenhammartryck PH ~ 1,2 MPa och We ~ 505,5. Ytan med en texturstorlek på 200 nm och en solid fraktion på 0,44 kunde hålla droppen i Cassie-Baxter-tillståndet (solid stjärnsymbol), medan dropparna på andra ytor var i delvis Wenzel-tillstånd (tomma stjärnsymboler). Skalstång, 2 mm. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb2307
För att förstå resultatet, forskarna utvecklade sedan en metod för att kvantifiera kontaktvinkelhysteresen genom att systematiskt mäta den fram- och sjunkande kontaktvinkeln på konstruerade ytor. Ytor med en högre fast fraktion hade fördröjd droppindragning, särskilt avvikande från det avsedda superhydrofoba studsbeteendet. Det var därför intressant att förstå varför vattenavvisande insektsytor inte antog texturer med en lägre fast fraktion för att bli av med vatten mer effektivt. För detta, Wang et al. undersökte tryckstabiliteten hos texturerade ytor mot stötande droppar när vattendroppar som träffade en fast yta genomgick två slag av stöttryck. Det första läget var vattenslagtryck vid kontaktytan vätska-fast och det andra läget var dynamiskt tryck vid spridningssteget. Teamet visade därför att hög fast fraktion är ett viktigt krav för att insekter ska motstå slagtrycket från regndroppar för att fullständigt fälla dem.
Tryckstabilitetstest på en återgående mikrotexturerad yta med fast fraktion
På det här sättet, Lin Wang och kollegor visade hur nanoskala texturer på höga fasta ytor minskade kontakttiden för studsande droppar för första gången. Fynden avslöjade en aldrig tidigare skådad strategi för att minska kontakttiden för studsande droppar på fasta ytor. Teamet uppnådde superhydrofobt studsande beteende på ytor med hög fast fraktion (Φ s =0,44) med en texturstorlek på nanoskala ungefär 100 nm. Fynden kastar ljus över hur insekter undkommer regndroppars höghastighetspåverkan. Studien ger experimentella bevis på nödvändigheten av strukturer med hög fast funktion för att motverka slagtrycket från regndroppar. Tekniskt, ett kompakt texturerat material i nanoskala som kan stöta bort höghastighetspåverkan från vätskedroppar med minskad kontakttid kommer att ha en rad tillämpningar för att underlätta nedsmutsningsbeständig personlig skyddsutrustning, för flygande robotar i insektsstorlek och i miniatyriserade drönare.
© 2020 Science X Network
