Dråber udfører vovede bedrifter på geloverflader

Velkommen til den fantastiske verden af ​​bløde underlag. Disse materialer er lavet af silikonegeler og har samme tekstur som panna cotta - men uden den lækre smag. De bruges i en række applikationer, især inden for medicinalindustrien, fordi deres biokompatible og antiadhæsive egenskaber gør dem modstandsdygtige over for korrosion og bakteriel forurening. Disse substrater er så bløde, at de kan deformeres (reversibelt) af de kapillarkræfter, der opstår ved kanterne af dråberne, når de placeres på deres overflader. Imidlertid, dråber bevæger sig meget langsomt på disse overflader; for at flyde, dråberne skal dynamisk deformere substraterne og overvinde modstanden skabt af substratets viskoelastiske egenskaber. En millimeterstor dråbe placeret på et substrat placeret lodret vil flyde med en hastighed på kun mellem et par hundrede nanometer pr. sekund og et par dusin mikrometer pr. sekund. Med andre ord, det ville tage dråben tre timer at flytte bare en meter! Denne langsommere effekt er kendt som viskoelastisk bremsning og er en stor hindring for den mere udbredte brug af bløde underlag, især inden for fremstilling.

Et team af forskere ved EPFL's Engineering Mechanics of Soft Interfaces (EMSI) laboratorium, inden for Ingeniørskolen, har vist, at viskoelastisk bremsning kan overvindes ved at placere små søjler på underlagets overflade. Mere grundlæggende, forskerne var i stand til at observere, for første gang, kontakten mellem en væske og et blødt substrat i en kompleks geometri. Deres resultater er netop blevet offentliggjort i PNAS .

En ny geometri

EPFL-forskerne brugte en metode, der allerede er meget brugt i befugtningsprocesser:ændring af et substrats overfladetekstur, så det bliver superhydrofobt. Mere specifikt, de dækkede en geloverflade med små søjler 100 µm høje og 100 µm brede, så dråber placeret på gelen kun ligger på søjletoppene - meget som en vovehals, der går på en negleleje. Ser dråberne gennem et konfokalt mikroskop, forskerne så, at søjlerne deformeres, når dråberne bevæger sig langs dem. Hvad mere er, størrelsen af ​​den faste deformation var næsten den samme som den, der blev opnået på en flad geloverflade, hvilket betyder, at dråberne faktisk bliver holdt oppe af de hundredvis af små søjler. Og selvom deformationsstørrelserne var så tæt, dråberne bevægede sig med samme hastighed, som de ville på en hård overflade.

"Disse ændrede teksturer 'dræber' den viskoelastiske bremseeffekt, selvom der er et ret stort kontaktareal mellem væsken og det faste stof, siger Martin Coux, en af ​​forfatterne til undersøgelsen, sammen med prof. John Kolinski. "På grund af den unikke geometri af kontaktpunkterne mellem væsken og det faste stof, hævet lidt over underlagets overflade, dråberne antager konfigurationer, som de normalt ikke ville være i stand til på en blød overflade. Det lader dem flyde langs substratet lige så hurtigt, som de ville på en hård overflade." Ved hjælp af EMSI's højhastighedsmikroskop, forskerne var i stand til at observere og forstå dette hidtil ukendte fænomen af ​​fundamental fysik.

Det er værd at påpege, at alt dette sker på mikrometrisk skala (de faste deformationer er i størrelsesordenen 1-100 µm). "Takket være de fremskridt, der er gjort inden for visningsteknologi i løbet af de sidste ti år, forskere kan nu se de deformationer, der opstår, når væsker kommer i kontakt med bløde underlag - og ikke kun statisk (som når dråberne er stationære), men også dynamisk, som når dråberne flyder på overfladen, " siger Coux. Denne nye evne har givet et boost til fysikere, der specialiserer sig i væskemekanik, accelererede deres forståelse af elastokapillære interaktioner mellem bløde substrater og væsker, og satte EPFL-forskerne på vejen til deres banebrydende opdagelse.