Fysikere forklarer og eliminerer ukendt kraft, der trækker mod vanddråber på superhydrofobe overflader
Mikroskopiske kløfter, der danner et hav af koniske takkede toppe, stipler overfladen af et materiale kaldet sort silicium. Selvom det almindeligvis findes i solcelleteknologi, lyser sort silicium også måneskin som et værktøj til at studere fysikken i, hvordan vanddråber opfører sig.
Sort silicium er et superhydrofobt materiale, hvilket betyder, at det afviser vand. På grund af vands unikke overfladespændingsegenskaber glider dråber hen over teksturerede materialer som sort silicium ved at køre på et tyndt luftfilmgab, der er fanget nedenunder. Dette fungerer godt, når dråberne bevæger sig langsomt – de glider og glider uden problemer.
Men når dråben bevæger sig hurtigere, ser en ukendt kraft ud til at trække i dens undermave. Dette har forbløffet fysikere, men nu har et team af forskere fra Aalto University og ESPCI Paris en forklaring, og de har tallene til at understøtte den.
Aalto University Assistant Professor Matilda Backholm er den første forfatter til det papir, der beskriver disse resultater, offentliggjort den 15. april i Proceedings of the National Academy of Sciences . Det foretog hun i sin tid som postdoktor i professor Robin Ras' Soft Matter and Wetting-gruppe i Institut for Anvendt Fysik.
"Når man observerer vand-overflade-interaktioner, er der typisk tre kræfter på spil:kontaktlinjefriktion, viskøse tab og luftmodstand. Der er dog en fjerde kraft, der opstår fra bevægelsen af dråber på meget glatte overflader som sort silicium. Denne bevægelse skaber faktisk en forskydningseffekt på luften, der er fanget nedenunder, hvilket resulterer i en træk-lignende kraft på selve dråben. Denne forskydningskraft er aldrig blevet forklaret før, og vi er de første til at identificere den, siger Backholm>
De komplekse vekselvirkninger mellem flydende og blødt stofs fysik viser sig at være udfordrende at forenkle til udskårne og tørrede formler. Men Backholm har formået at udvikle en teknologi til at måle disse bittesmå kræfter, forklare, hvordan kraften virker, og endelig give løsningen til helt at eliminere modstandskraften.
Luftforskydningseffekt
At skabe bedre superhydrofobe overflader ville gøre verdens transportsystemer mere aerodynamiske, medicinsk udstyr mere sterilt og generelt forbedre glatheden af alt, der kræver en væskeafvisende overflade.
Sort silicium udnytter vands specifikke overfladespænding for at minimere kontakten mellem dråben og overfladen. Kegler ætset på underlaget får vanddråberne til at glide på en luftfilmspalte, kendt som en plastron. Men i et kontraintuitivt twist fører selve mekanismen, der gør det muligt for hydrofobe overflader at afbøje vanddråber, også til den forskydningseffekt, der er skitseret i Backholms papir.
"Feltet har gjort disse ultra glatte overflader ved at reducere længdeskalaen af keglerne for at gøre dem mindre og mere rigelige. Men ingen er stoppet for at indse, "Hey, vi arbejder faktisk imod os selv her." I virkeligheden fører ætsning af kortere kegler på den sorte siliciumoverflade til en større luftforskydningseffekt," siger Backholm.
Andre forskere har bemærket eksistensen af denne kraft, men har ikke været i stand til at forklare det. Backholms resultater giver anledning til en genovervejelse af den måde, ultra glatte overflader er designet på. Hendes teams løsning var at tilføje højere kegler med teksturerede hætter på den sorte siliciumoverflade for yderligere at minimere dråbernes samlede kontaktfladeareal.
"Dette arbejde bygger på den rigdom af ekspertise fra Soft Matter and Wetting-forskningsgruppen om emnet superhydrofobe overflader. Sjældent dukker muligheden op for fuldt ud at forklare finesserne af de mikroskopiske kræfter, der er involveret i befugtningsdynamikken, men denne artikel opnår netop det, " siger Ras.
Specialiseret teknik
Backholm tilpassede en unik mikropipettemåleteknik til at måle de kræfter, der virker mod vanddråberne. Hun er ekspert i disse mikropipettekraftsensorer, da hun har brugt dem til at måle vækstdynamikken af planterødder, svømmeadfærden af mesoskopiske rejesværme og nu til at observere kræfterne i bevægelige vanddråber.
Gennem besværlig finjustering var hun i stand til at bruge denne teknik til at få et gennembrud i at identificere forskydningseffekten. Backholm oscillerede dråben og sonden for at detektere de subtile kræfter, der rykkede nedenunder.
"Vi har også udelukket muligheden for, at der er andre kræfter på spil ved kontaktlinjen ved at køre de samme tests på kulsyreholdige dråber. Disse dråber forlader konstant kuldioxid, hvilket får dem til at svæve lidt over de overflader, de sidder på. Alligevel blev forskydningseffekten målt ved visse hastigheder, hvilket i sidste ende bekræfter, at denne kraft virker uafhængigt af dens kontakt med den sorte siliciumoverflade," siger Backholm.
Backholm forventer, at disse resultater yderligere vil gøre fysikere og ingeniører i stand til at udvikle hydrofobe overflader med bedre ydeevne.
Flere oplysninger: Matilda Backholm et al., Mod forsvindende dråbefriktion på afvisende overflader, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315214121
Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences
Leveret af Aalto University
Sidste artikelSkaber et ø-paradis i en fusionsreaktor
Næste artikelAfgørende forbindelse til kvanteinternet lavet for første gang
Varme artikler
-
Søger ny fysik, forskere låner fra sociale netværkMIT fysikere finder en måde at relatere hundredtusindvis af partikelkollisioner, ligner et socialt netværk. Kredit:Chelsea Turner, MIT Når to protoner støder sammen, de frigiver pyrotekniske strål -
Brug af lys til næste generations datalagringEnkelt nanokrystalskift. Kredit:(c) Optik Express (2018). DOI:10.1364/OE.26.012266 Lille bitte, saltkrystaller i nanostørrelse kodet med data ved hjælp af lys fra en laser kunne være den næste v -
Ny teknik belyser DNA -helix3D-model af DNA. Kredit:Michael Ströck/ Wikimedia/ GNU Free Documentation License Cornell -forskere har identificeret en ny måde at måle DNA -vridningsstivhed - hvor meget modstand helixen byder p -
Jeg åbnede en flaske med Stephen Hawking for at fejre vores eureka -øjeblik - prof. Thomas HertogEn ny model af Stephen Hawking og Thomas Hertog siger, at universet er mere ensartet og enklere end forskere tidligere havde troet. Kredit:ESO/T. Preibisch, licenseret under CC BY 4.0 En teori udv
- Kemikere designer hurtigere produktionsproces for essentielle sukkerarter
- 3 Easy, end-of-Summer Science Hacks Du skal prøve lige nu
- Hvor stærke er magneterne i en MR -maskine?
- Rapporten finder uh-oh-problemer i populære adgangskodeadministratorer
- Mandlige og kvindelige brandmænd har forskellige problemer med beskyttelsesdragter
- Hvordan Steak-umm blev et socialt mediefænomen under pandemien