Elektrostatik påvirker bevægelsen af ​​dråber på overflader

Noget så simpelt som vanddråbernes bevægelse på overflader burde faktisk forstås – skulle man tro. Faktisk er der stadig mange ubesvarede spørgsmål om de kræfter, der virker på en glidende dråbe. Et team af forskere fra Max Planck Institute for Polymer Research i samarbejde med kolleger fra TU Darmstadt har nu opdaget:Ud over overfladeenergi og tyktflydende friktion i dråben spiller elektrostatik også en væsentlig rolle. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics .

Regndråber rammer bilruden, og vinden skubber dråberne til siden. Selv i dag har ingen været i stand til præcist at forudsige, hvordan dråberne bevæger sig på forruden. Alligevel er en sådan forståelse vigtig på adskillige områder, såsom autonom kørsel:For eksempel skal kameraer installeret i forruden holde øje med vejen og trafiksituationen - hertil skal overfladen af ​​forruden designes i en sådan en måde, hvorpå dråberne blæses helt ned af luftstrømmen, og udsynet forbliver klart selv i regnen. Andre eksempler med det modsatte fortegn er applikationer, hvor dråber skal klæbe til overflader, såsom spraymaling eller pesticider.

"Indtil nu har man antaget, at overfladebelægningen var ansvarlig for, hvordan dråben bevæger sig på en overflade - det vil sige de første par molekylære lag," siger prof. Hans-Jürgen Butt, der er direktør for "Grænsefladernes fysik" afdeling ved Max Planck Institute for Polymer Research. For eksempel afhænger det af overfladen, om der dannes en sfærisk eller en flad dråbeform. Hvis dråben kan lide overfladen, presser den sig fladt på den for at få så meget kontakt som muligt. Kan den ikke lide overfladen, som i tilfældet med den velkendte lotuseffekt, krøller den sammen. Det var også klart, at når en dråbe bevæger sig, vil viskøs friktion – dvs. friktion mellem de enkelte vandmolekyler - forekommer i dråben, hvilket også påvirker dens bevægelse.

Elektrostatik forårsager forskelle i hastighed

Holdet af forskere ved MPI for Polymer Research fandt, at hverken kapillære eller viskoelastiske kræfter kan forklare forskellene i den hastighed, hvormed dråber bevæger sig hen over forskellige overflader. Spørgsmålene blev især rejst ved, at dråberne løber med forskellige hastigheder på forskellige substrater - også selvom disse substrater har en identisk overfladebelægning, hvor der ikke forventes nogen forskelle. Forskerne introducerede derfor først en mystisk "ekstra kraft". For at spore det, Xiaomei Li, en ph.d. elev i Hans-Jürgen Butts afdeling, arrangerede et dropløb. "Jeg filmede dråberne på forskellige substrater, udtog hastigheds- og accelerationsprofiler fra deres bevægelse, beregnede de kræfter, der allerede var kendt for at beregne kraften, som vi endnu ikke havde set på," forklarer hun.

Det forbløffende resultat:den beregnede kraft stemmer overens med en elektrostatisk kraft, som forskerne først beskrev i en model for nogle år siden. "Ved at sammenligne de eksperimentelle resultater med denne numeriske model, kan vi forklare tidligere forvirrende dråbebaner," siger Jun.-Prof. Stefan Weber, gruppeleder i Butts afdeling.

Hvis tidligere neutrale dråber glider hen over en isolator, kan de blive elektrisk ladede:Så elektrostatik spiller en væsentlig rolle der. På et elektrisk ledende substrat derimod frigiver dråben straks sin ladning tilbage til substratet. "Den elektrostatiske kraft, som ingen tidligere havde overvejet, har derfor en stor indflydelse:Den skal tages i betragtning for vand, vandige elektrolytter og ethylenglycol på alle testede hydrofobe overflader," opsummerer Weber. Forskerholdet har nu offentliggjort resultaterne i tidsskriftet Nature Physics . Disse resultater vil forbedre kontrollen af ​​dråbebevægelser i mange applikationer lige fra udskrivning til mikrofluidik eller vandstyring til strømproduktion via dråbebaserede minigeneratorer. + Udforsk yderligere

Multifunktionel elektrostatisk dråbepincet fjernstyrer dråbebevægelsen