Kompakte nanoskala teksturer reducerer kontakttiden for hoppende dråber

Mange naturlige overflader kan hurtigt kaste vanddråber på grund af deres vandafvisende funktionalitet. I 1945, videnskabsmændene Cassie og Baxter koblede den vandafvisende funktion af naturlige overflader til deres overfladeteksturer. Brugen af ​​teksturer med lav fast fraktion (betegnet Φ _s ) er derfor et nøgleprincip for at designe vandafvisende overflader. I dette arbejde, Lin Wang og et team af forskere inden for materialevidenskab, biomedicinsk teknik og maskinteknik ved Pennsylvania State University, USA reducerede kontakttiden for hoppende dråber på overflader med høj fast fraktion (dvs. Φs ~ 0,25 til 0,65) ved at reducere overfladeteksturstørrelsen til nanoskalaen. De viste, hvordan høje faste fraktioners overflader med en teksturstørrelse under 100 nanometer kunne reducere kontakttiden for hoppende dråber med cirka 2,6 millisekunder (ms) sammenlignet med en teksturstørrelse over 300 nm. Den tekstur og størrelsesafhængige kontakttidsreduktion observeret på faste overflader er et første-i-studie resultat i forhold til eksisterende teorier om overfladebefugtning. Wang et al. krediteret reduktionen i dråbekontakt på nanoskala overflader til den dominerende trefasede kontaktledningsspænding. Baseret på trykstabilitetseksperimenter, holdet viste yderligere, hvordan overfladefraktioner af fast stof blev bioinspireret af insekter, der kan modstå påvirkningen af ​​regndråber. Resultaterne er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt .

Nanoskala overflader har forskellige roller i biologiske organismer med betydning for insekternes overlevelse, eksempler omfatter antirefleksegenskaber af møløjne, antidugegenskaber af myg, selvrensende teknikker af cikader og anti-biofouling af guldsmede. Den hurtige løsrivelse af regndråber på flyvende insekter er også afgørende for deres overlevelse. For eksempel, påvirkningsvarigheden af ​​regndråber på myg var tilnærmet 0,5 til 10 ms; en tidsramme af kombinerede aktive og passive dråbeudskillelsesmekanismer. Planter og sommerfuglevinger kan også opretholde mikroskalamønstre for at bryde virkningen af ​​dråber i mindre stykker for at reducere kontakttiden for dråber. Imidlertid, Materialeforskere skal stadig forstå, hvordan den høje faste fraktion og nanoskala-teksturer af vandafvisende insektoverflader kan forårsage hurtig løsrivelse af regndråber ved stød. For at udforske teksturstørrelseseffekter og væske-faststof-interaktioner, Wang et al. konstrueret en serie af bioinspirerede, insektlignende teksturerede overflader, belagt dem med et silan-monolag for at inducere overfladehydrofobicitet (vandhadende natur) og udførte en række eksperimenter.

Under forsøgene, holdet opretholdt Cassie-Baxter-tilstanden (heterogen overfladebefugtning) med testvæskedråberne og sammenlignede kontakttiden for hoppende vanddråber på teksturerede overflader. Overflader med en teksturstørrelse mindre end 300 nm viste nedsat kontakttid for hoppende dråber. Den teksturstørrelsesafhængige reduktion af dråbekontakt på faste overflader var en første-i-undersøgelse sammenlignet med eksisterende overfladebefugtningsteorier.

I teorien, kontakttiden kan forudsiges i forhold til vandets tæthed og overfladespænding. Når en væskedråbe ramte en tekstureret overflade, det spredte sig til en maksimal diameter og trak sig tilbage fra overfladen meget som en "flydende fjeder." På teksturerede overflader med lav fast fraktion, væske-luft-grænsefladespændingen af ​​dråben dominerede fjederkonstanten for den flydende fjeder. I mellemtiden kan ethvert bidrag fra væske-faststof-interaktioner ignoreres. Imidlertid, videnskabsmænd kunne ikke ignorere væske-faststof-interaktioner på strukturerede overflader med høj fast fraktion, hvor Φ _s svarede til 0,44, på grund af yderligere energi som følge af dannelsen af ​​trefasede kontaktlinjer under dråberne for at påvirke deres hoppende energier. For det, Wang et al. betragtet den trefasede kontaktledningsspænding (τ), først introduceret af Gibbs i 1870'erne, hvor de eksperimentelle målinger af τ afhang af det specifikke system, der blev undersøgt.

Kinematik af hoppende dråber på teksturerede overflader og trykstabiliteten af ​​overflader

For yderligere at forstå reduktionen i kontakttid for dråber, der påvirker overflader på nanoskala, Wang et al. undersøgte kinematik af hoppende dråber baseret på sprednings- og tilbagetrækningsprocesser. Mens dråbespredningshastighederne var ens på forskellige overflader, i tilbagetrækningsfasen, dråber tog længere tid at trække sig helt tilbage fra overflader med højere faste fraktioner. Arbejdet viste, hvordan øget fast fraktion derfor øgede tilbagetrækningstiden. For eksempel, en dråbe på en superhydrofob sort siliciumoverflade kunne trække sig tilbage med en konstant hastighed, så dråberne kan trække sig tilbage i det hurtigst mulige tempo. uventet, derfor, Wang et al. bemærket superhydrofob hoppende adfærd på 100 nm overfladeteksturer med en fast fraktion på 0,44

For at forstå resultatet, forskerne udviklede derefter en metode til at kvantificere kontaktvinkelhysteresen ved systematisk at måle den fremadskridende og vigende kontaktvinkel på konstruerede overflader. Overflader med en højere fast fraktion havde forsinket tilbagetrækning af dråber, især afvigende fra den tilsigtede superhydrofobe hoppende adfærd. Det var derfor interessant at forstå, hvorfor vandafvisende insektoverflader ikke antog teksturer med en lavere fast fraktion for at komme af med vand mere effektivt. For det, Wang et al. undersøgte trykstabiliteten af ​​teksturerede overflader mod stødende dråber, når vanddråber, der stødte på en fast overflade, undergik to former for stødtryk. Den første tilstand var vandhammertryk ved væske-faststofkontaktfladen, og den anden tilstand var dynamisk tryk på spredestadiet. Holdet viste derfor, at høj fast fraktion er et vigtigt krav for, at insekter kan modstå stødtrykket fra regndråber for fuldstændigt at kaste dem ud.

På denne måde Lin Wang og kolleger viste, hvordan teksturer i nanoskala på høje faste overflader reducerede kontakttiden for hoppende dråber for første gang. Resultaterne afslørede en hidtil uset strategi til at reducere kontakttiden for hoppende dråber på faste overflader. Holdet opnåede superhydrofob hoppende adfærd på overflader med høj fast fraktion (Φ _s =0,44) med en teksturstørrelse på nanoskala, der tilnærmer 100 nm. Resultaterne kaster lys over, hvordan insekter undslipper regndråbernes højhastighedspåvirkning. Undersøgelsen giver eksperimentel dokumentation for nødvendigheden af ​​høje faste funktionsteksturer for at imødegå stødtrykket fra regndråber. Teknisk set, et kompakt tekstureret materiale i nanoskala, der kan afvise højhastighedspåvirkning af væskedråber med reduceret kontakttid, vil have en række anvendelser til at lette begroningsbestandigt personligt beskyttelsesudstyr, til flyvende robotter på størrelse med insekter og i miniaturiserede droner.

© 2020 Science X Network