Løft af en siddende dråbe fra en superamfifob overflade ved hjælp af en stødende dråbe

Kolliderende dråber er allestedsnærværende i dagligdagens teknologier såsom forbrændingsmotorer og sprøjter, og i naturlige processer som regndråber og i skydannelse. Kollisionsresultaterne afhænger af anslagshastigheden, grad af tilpasning, iboende egenskaber ved overfladespænding og en lavfugtig overflade. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Olinka Ramírez-Soto og et team af forskere inden for polymerforskning, væskedynamik, kemi- og materialeteknik i Tyskland, Holland og USA undersøgte dynamikken i en oliedråbe, der rammer en identisk fastsiddende dråbe på en superamfifob overflade. En superamfifob overflade er analog med superhydrofobicitet (vandafvisning), selvom det kan afvise både polære og upolære væsker. Ved hjælp af numeriske simuleringer, holdet genskabte rebound-scenarier for at kvantificere hastighedsprofilerne, energioverførsel og viskøs spredning i den eksperimentelle opsætning. Dette arbejde viste indflydelsen af ​​anslagshastighed på rebound-dynamikken for olie-dråbe-på-dråbe-kollisioner på superamfifobe overflader.

Undersøgelse af drop-on-drop-påvirkning

Når en væskedråbe rammer en fastsiddende dråbe af en identisk væske, den intuitive forventning er, at begge dråber smelter sammen eller kombineres. Denne proces er almindelig med regn og dråber fra en utæt vandhane, men nogle gange kan et tyndt lag luft mellem to dråber gøre det muligt for vanddråber at hoppe perfekt fra hydrofile (vandelskende) overflader i stedet. I 1800 -tallet, videnskabsmand og ingeniør Osborn Reynolds registrerede først og krediterede glidebevægelsen af ​​vanddråber hen over en pool til dette fænomen. Et damplag er på samme måde ansvarlig for Leidenfrost -effekten, hvor en dråbe svæver over en overophedet overflade.

På trods af eksperimentel karakterisering af påvirkningsdynamik, metoder til kvantitativ modellering af hastighedsfelterne og energioverførsel mangler. Undersøgelser af drop-on-drop-påvirkning på superamfifobe overflader er i øjeblikket hæmmet af et begrænset antal teknikker til at designe ikke-befugtende overflader. Det er derfor vigtigt at forstå, hvilke scenarier der bestemmer drop-on-drop-påvirkningen af ​​olie på en superamfifob overflade, og hvordan energi overføres mellem dråberne. I dette studie, Ramírez-Soto et al. eksperimentelt og numerisk studeret dynamikken i en oliedråbe med lav overfladespænding, der rammer en fastsiddende væske af lignende sammensætning hvilende på en superamfifob overflade. Holdet viste, hvordan den påvirkende oliedråbe kunne løfte hviledråben fra overfladen uden at samles.

Forskerne gennemførte fire rebound -forsøg uden koalescens. I det første scenarie, begge dråber rebound; i to andre scenarier, det stødende dråbe vender tilbage, mens det siddende dråbe forbliver, og i det sidste scenario rebounder det siddende fald, mens det påvirkende fald forbliver overfladebundet. Under forsøgene, Ramírez-Soto et al. placerede forsigtigt en fastsiddende oliedråbe på en superamfifob overflade og ramte den med en anden identisk dråbe. De skabte den superamphiphobiske overflade ved hjælp af et 20 µm tykt lag af skabelonstearin, som indeholdt et porøst netværk af kulstof nanokugler. For at øge stabiliteten af ​​det skrøbelige netværk, de aflejrede et lag silica på de porøse nanostrukturer. De sænkede overfladeenergien på den sodformede overflade gennem fluorering for at producere en superamfifob overflade, der afviste vand og de fleste olier. Forskerne brugte hexadecan som en modelolie under eksperimenterne på grund af et utal af gunstige egenskaber, herunder newtonsk adfærd, og registrerede vinklen på en dråbe hexadecan ved hjælp af konfokal mikroskopi. Undersøgelsen sammenlignede kvantitativt de eksperimentelle og numeriske data for rebound-dynamikken. Ramírez-Soto et al. beregnet og bekræftet værdien af ​​dråbeformen ved hjælp af Young-Laplace-ligningen.

Eksperimentelle resultater og numeriske simuleringer.

Holdet observerede seks resultater for indvirkningsdynamik. Under påvirkning, begge dråber deformeres og spredes radialt for at vise aksial kompression, mens systemets kinetiske energi overføres til begges overfladeenergier. Da dråberne begyndte at trække sig tilbage, den tidligere fastsiddende dråbe overførte energi tilbage til det stødende dråbe i form af kinetisk energi. Efter kollision, det stødende dråbe hoppede væk, mens den siddende dråbe forblev på substratet. Forskerne fastholdt et konstant Weber -tal ( Vi ~ 1,5) for alle seks observerede tilfælde; hvor parameteren typisk karakteriserede forstøvningskvaliteten af ​​en spray eller den resulterende dråbestørrelse af emulsioner. De plottede derefter front-op-justeringen (betegnet X) og øgede Weber-tallet for koalescens af dråber i den eksperimentelle opsætning. De krediterede resultatet for ustabiliteten af ​​luftlaget mellem dråberne som følge af direkte kontakt under de eksperimentelle forhold.

Ramírez-Soto et al. udførte derefter direkte numeriske simuleringer (DNS) for at illustrere effekten af ​​hastighedsfelterne og energioverførsel mellem dråber og sammenlignede resultaterne med de eksperimentelle data. Holdet brugte metoden med geometrisk volumen af ​​væske (VOF) og bevarede et endeligt luftlag mellem dråberne under hele processen for at efterligne eksperimentelle forhold for at opnå ikke-sammensmeltende dråber ved hjælp af simuleringer. Holdet kørte de første fire simuleringer og kvantificerede hastighedsvektorfelterne for hvert tilfælde; resultaterne vil gøre det muligt kvantitativt at udforske dynamikken i olie-dråbe-på-dråbe-kollisionsprocessen.

Energibudget

I alle tilfælde, det stødende dråbe indeholdt energi som mekanisk energi (i form af kinetisk og potentiel energi) og som overfladeenergi af den siddende dråbe. Den mekaniske energi af systemet faldt derefter og overført til overfladeenergien af ​​de kombinerede dråber. Et gendannelsestrin fulgte efter overførslen, hvor overfladenergi overføres tilbage til systemets mekaniske energi, mens en del af energien spredes i form af viskøs spredning. Denne proces stod for den kombinerede energi, der blev spredt i væskedråberne og ind i den omgivende luft. Beregningerne tog også højde for luftlaget mellem drop-on-drop kontakt samt mellem drop-on-superamfifobisk substrat. The numerical simulations provided a quantitative description of impact dynamics, where a strong agreement existed between the drop boundaries and experimental mechanical energies.

På denne måde Olinka Ramírez-Soto and colleagues combined systematic experiments and numerical simulations to predict and control the outcome of binary oil drop impacts on low-adhesion surfaces. The experimental and numeric one-on-one comparisons revealed the drop boundaries and center of mass mechanical energies, while illustrating the power of direct numerical simulations. The study highlighted how the alignment of droplet impact alone could be used to determine the recovered energy distribution between two drops after impact.

© 2020 Science X Network