Den mærkelige opgave at se flydende kugler tørre

En omfattende ramme for undersøgelse af flydende kuglers fordampningsadfærd hjælper KAUST-forskere med bedre at forstå disse små biologiske strukturer.

Flydende kugler blev først opdaget under en undersøgelse af opførsel af bladlus - små insekter, der lever inde i plantegalder. Bladlus drikker nektar, udskiller derefter klistret, sukkerholdige stoffer ind i deres afgrænsede boligareal. For at undgå at drukne i deres egne udskillelser, insekterne dækker den klæbrige væske med vokspartikler, skabe små flydende kugler med et hydrofobt ydre lag, som de ikke kan klæbe til.

Forskere indså hurtigt værdien af ​​et sådant system til at transportere små mængder af intakt væske over en overflade uden at "væde" den. Yderligere anvendelser for flydende kugler omfatter biokemiske miniaturereaktorer og forureningsovervågning.

"Selvom vandoverfladen af ​​en flydende marmor er dækket af hydrofobe (vandafvisende) partikler, de kan stadig fordampe hurtigere end bare vanddråber. Denne kontraintuitive kendsgerning vakte vores nysgerrighed, " siger Adair Gallo Jr. ph.d. studerende, der arbejdede på studiet sammen med Himanshu Mishra og kolleger.

I øjeblikket, der er en ufuldstændig forståelse af, hvordan partikelstørrelse, friktion mellem partikler og væske-partikel interaktioner påvirker marmorernes fordampningsadfærd. Teamet undersøgte kugler dannet af partikler med forskellige hydrofobe naturer, overfladeruhed og størrelser, varierer fra nano til mikro.

Ved hjælp af højhastighedsbilleder, Gallo fandt ud af, at væske-partikel og partikel-partikel interaktioner havde en kritisk indflydelse på fordampningsadfærd, og han grupperede dem i tre tilfælde. For det første, kugler dannet af partikler med høj væske-partikel-adhæsion og moderat interpartikelfriktion holdt deres samlede overfladeareal intakt, mens de tømte luft, fører til hurtigere fordampning og flade former. De fleste marmoreksempler faldt ind under denne kategori.

For det andet tilfælde, Gallo eksperimenterede med mikroskala silicapartikler belagt med nanoskala partikler, der udviste ultravandafvisning.

"Da disse flydende kugler fordampede, de skød partikler ud fra deres overflade og forblev sfæriske; vi havde ikke forventet at se dette, " siger Gallo. "Dette sker på grund af meget lave væske-partikel- og interpartikelkræfter. Mærkeligt nok, dette tilfælde viste de samme fordampningshastigheder som bare vanddråber."

Det tredje tilfælde involverede klæbrige nanopartikler, der interagerede tæt med hinanden, men ikke med væsken indeni. Da væsken fordampede, partiklerne blev skubbet ud fra vandoverfladen for at danne en flerlagsbelægning. Kuglerne beholdt en sfærisk form, men fordampede med meget langsommere hastigheder på grund af de tykkere partikellag.

Holdet brugte disse data til at bygge en matematisk model, der nøjagtigt forudsiger fordampningsadfærden af ​​alle de flydende kugler, der er studeret i dette arbejde og adskillige andre offentliggjorte rapporter.

"Vores nysgerrighedsdrevne forskning har ført til en solid analytisk ramme for at tænke på disse bløde squishy objekter, " siger Mishra.