Ny måde at kontrollere måden, hvorpå væsker tørrer på overflader, kan gavne bilen, computer- og trykindustrier

En ny måde at kontrollere, hvordan væsker tørrer på overflader, hvilket kan medføre fordele for en række industrier, er blevet opdaget af forskere fra Northumbria University og The Open University.

Resultaterne af forskergruppen er blevet offentliggjort i dag, Onsdag den 11. april, af tidsskriftet Naturkommunikation .

Vandmærker forbliver, når en dråbe tørrer på en fast overflade, for eksempel, når regndråber tørrer på overfladen af ​​en bil, eller når vand tørrer på et vinglas efter opvask.

Den måde, hvorpå vandmærker vises på en overflade, er ukontrollabel, fordi formen og placeringen af ​​en dråbe, når den fordamper, er uforudsigelig. Dette sætter grænser for mange applikationer, såsom inkjetudskrivning, hvor en blækdråbe kan efterlade en forvrænget form på papir, og mikroteknik, hvor vandmærker kan ødelægge ydelsen af ​​sarte mikrostrukturer.

Imidlertid, forskerne fra Northumbria Universitets Smart Materials and Surfaces Laboratory, og The Open University's School of Mathematics and Statistics, har fundet en ny måde at kontrollere form og placering af tørredråber for første gang, kendt som 'snap -fordampning'.

Når en dråbe fordamper på en fast overflade, dets kant 'pins' og 'depins' på en ukontrolleret måde. Denne effekt opstår på grund af den mikroskopiske ruhed af den nøgne faste overflade. Imidlertid, forskerne var i stand til at kontrollere måden, hvorpå dråber tørrede, gennem en kombination af bølget massiv geometri og en ultraglat overfladebehandling.

Deres fund kan have indflydelse på mange daglige applikationer - f.eks. bilindustrien kunne behandle biloverflader forskelligt for at minimere vandmærker, og smartphone- og computerindustrien kunne forbedre effektiviteten af ​​mikrovarmerør, som fjerner varme fra mikroprocessorer.

Dr. Gary Wells, Seniorlektor ved Northumbria University, sagde:"En æggekasse er et eksempel på et bølget fast stof:det har gentagne toppe og dale, der danner et bølget mønster. Vi 3D-printede et sådant bølget mønster og dækkede dets ru overflade med et tyndt smøremiddellag. Den resulterende sammensatte overflade holder den bølgede form, men bliver 'ultra-glat'.

"Da vi forlod vanddråber for at fordampe på disse bølgede overflader, de trak oprindeligt tilbage fra det faste stof på en glat måde, som man ville forvente for et helt glat fast stof. Imidlertid, den bølgede overflade får dråberne til at 'snappe' på bestemte punkter, ændre deres position og form. Dette er en ny fordampningsmåde, som vi har kaldt 'snap fordampning'.

"Bemærkelsesværdigt, denne proces er meget reproducerbar, og vi har fundet ud af, at det faktiske design af det bølgede mønster kan styre dråbens position og form. "

Årsagen til snapadfærden ligger i bifurkationsteorien, en gren af ​​matematik, der studerer, hvordan et system - i dette tilfælde dråben - reagerer på en ændring i en kontrolparameter - i dette tilfælde en reduktion af masse på grund af fordampning.

Dr. Marc Pradas, Foredragsholder på The Open University, forklarede:"Hovedidéen bag vores teori er, at den konfiguration, som en dråbe indtager et bølget fast mønster, ikke er unik. Der er forskellige former og positioner, som den samme mængde væske kan indtage på et givet bølget mønster.

"Under fordampning, massen af ​​en dråbe ændres, og det viser sig, at det, der var en stabil faldform og position, bliver ustabil. På dette tidspunkt, som er kendt som en bifurcation, dråben skal ændre form og position. Den bølgede overflade fungerer som et rat, lede dråben til den næste stabile konfiguration, efter at der er sket et snap. "

Dr Rodrigo Ledesma-Aguilar, Lektor ved Northumbria University, tilføjede:"Implikationerne af vores undersøgelse kan have indflydelse i mange daglige applikationer, og vi arbejder i øjeblikket med industrielle partnere, der kan drage fordel af vores forskning.

"For eksempel, vi arbejder sammen med Jaguar Land Rover for at udvikle nye strategier, der minimerer vandmærker på overflader af biler. Et andet eksempel er vores samarbejde med bæredygtige energisystemer, hvem kan drage fordel af vores resultater ved at forbedre effektiviteten af ​​varmefjernelsessystemer, der bruges i mikroprocessorer såsom CPU'er og GPU'er. "

De fulde resultater af forskningen kan findes i papiret Snap fordampning af dråber på glatte topografier, der er offentliggjort i Naturkommunikation .