En ny måde at få dråber til at hoppe væk

I mange situationer, ingeniører ønsker at minimere kontakten mellem vanddråber eller andre væsker med overflader, de falder på. Uanset om målet er at forhindre is i at bygge op på en flyvinge eller et vindmølleblad, eller forhindre varmetab fra en overflade under nedbør eller forhindrer saltopbygning på overflader udsat for havsprøjt, få dråber til at hoppe væk så hurtigt som muligt og minimere mængden af ​​kontakt med overfladen kan være nøglen til at få systemerne til at fungere korrekt.

Nu, en undersøgelse af forskere ved MIT demonstrerer en ny tilgang til at minimere kontakten mellem dråber og overflader. Mens tidligere forsøg, herunder af medlemmer af samme team, har fokuseret på at minimere den tid, dråben bruger i kontakt med overfladen, den nye metode fokuserer i stedet på kontaktens rumlige omfang, forsøger at minimere, hvor langt en dråbe spreder sig, inden den hopper væk.

De nye fund er beskrevet i tidsskriftet ACS Nano i et papir af MIT-kandidatstuderende Henri-Louis Girard, postdoc Dan Soto, og professor i maskinteknik Kripa Varanasi. Nøglen til processen, de forklarer, skaber en række hævede ringformer på materialets overflade, som får den faldende dråbe til at sprøjte opad i et skålformet mønster i stedet for at flyde fladt ud over overfladen.

Arbejdet er en opfølgning på et tidligere projekt af Varanasi og hans team, hvor de var i stand til at reducere kontakttiden for dråber på en overflade ved at skabe hævede kamme på overfladen, hvilket forstyrrede spredningsmønsteret af påvirkende dråber. Men det nye arbejde tager dette længere, opnå en meget større reduktion i kombinationen af ​​kontakttid og kontaktareal for en dråbe.

For at forhindre isdannelse på en flyvinge, for eksempel, det er vigtigt at få dråberne af påvirkende vand til at hoppe væk på kortere tid, end det tager for vandet at fryse. Den tidligere kantede overflade lykkedes at reducere kontakttiden, men Varanasi siger "siden da, vi fandt ud af, at der er en anden ting, der spiller her, "hvilket er hvor langt dråbet spreder sig, inden det vender tilbage og hopper af." Reduktion af kontaktfladen på den påvirkende dråbe bør også have en dramatisk indvirkning på interaktionens overførselsegenskaber, "Siger Varanasi.

Teamet indledte en række eksperimenter, der viste, at hævede ringe af den helt rigtige størrelse, dækker overfladen, ville få vandet til at sprede sig fra en slagdråbe, der i stedet sprøjter opad, danner et skålformet stænk, og at vinklen på det opadgående stænk kunne kontrolleres ved at justere højden og profilen på disse ringe. Hvis ringene er for store eller for små i forhold til dråbernes størrelse, systemet bliver mindre effektivt eller slet ikke fungerer, men når størrelsen er rigtig, effekten er dramatisk.

Det viser sig, at reducering af kontakttiden alene ikke er tilstrækkelig til at opnå den største reduktion i kontakt; det er kombinationen af ​​tid og kontaktområde, der er kritisk. I en graf over tidspunktet for kontakt på en akse, og kontaktområdet på den anden akse, det, der virkelig betyder noget, er det samlede areal under kurven - det vil sige, tidens produkt og omfanget af kontakt. Spredningsområdet var "var en anden akse, som ingen har rørt" i tidligere forskning, Siger Girard. "Da vi begyndte at gøre det, vi oplevede en drastisk reaktion, "at reducere den samlede tid-og-område kontakt med dråben med 90 procent." Ideen om at reducere kontaktarealet ved at danne 'vandskåle' har langt større effekt på at reducere den samlede interaktion end ved at reducere kontakttiden alene, "Siger Varanasi.

Da dråben begynder at sprede sig inden for den hævede cirkel, så snart den rammer cirkelens kant, begynder den at afbøje. "Dens momentum omdirigeres opad, "Girard siger, og selvom det ender med at sprede sig udad så langt som det ellers ville have, det er ikke længere på overfladen, og derfor ikke afkøler overfladen, eller fører til isdannelse, eller blokering af porerne på et "vandtæt" stof.

Selve ringene kan laves på forskellige måder og af forskellige materialer, siger forskerne - det er bare størrelsen og afstanden, der betyder noget. For nogle tests, de brugte 3D-ringe trykt på et substrat, og for andre brugte de en overflade med et mønster skabt gennem en ætsningsproces, der lignede den, der blev brugt ved fremstilling af mikrochip. Andre ringe blev fremstillet ved computerstyret fræsning af plast.

Selvom større dråbeslag generelt kan være mere skadelige for en overflade, med dette system forbedrer de højere hastigheder faktisk effektiviteten af ​​omdirigering, rydder endnu mere af væsken end ved lavere hastigheder. Det er gode nyheder til praktiske anvendelser, for eksempel i forbindelse med regn, som har relativt høj hastighed, Siger Girard. "Det fungerer faktisk bedre, jo hurtigere du går, " han siger.

Udover at holde is væk fra flyvinger, det nye system kan have en bred vifte af applikationer, siger forskerne. For eksempel, "vandtætte" stoffer kan blive mættede og begynde at lække, når vand fylder mellemrummene mellem fibrene, men ved behandling med overfladeringe, tekstiler beholdt deres evne til at kaste vand i længere tid, og klarede sig bedre generelt, Siger Girard. "Der var en forbedring på 50 procent ved at bruge ringstrukturerne, " han siger.