Mikroskopijne rozpadliny tworzące morze stożkowatych, postrzępionych szczytów plamią powierzchnię materiału zwanego czarnym krzemem. Chociaż czarny krzem jest powszechnie spotykany w technologii ogniw słonecznych, sprawdza się również jako narzędzie do badania fizyki zachowania kropelek wody.

Czarny krzem jest materiałem superhydrofobowym, co oznacza, że ​​odpycha wodę. Ze względu na unikalne właściwości wody w zakresie napięcia powierzchniowego, kropelki ślizgają się po teksturowanych materiałach, takich jak czarny krzem, poruszając się po cienkiej szczelinie w postaci folii powietrznej uwięzionej pod spodem. Działa to świetnie, gdy kropelki poruszają się powoli — ślizgają się i ślizgają bez żadnych problemów.

Ale kiedy kropla porusza się szybciej, wydaje się, że jakaś nieznana siła szarpie jej podbrzusze. To zaskoczyło fizyków, ale teraz zespół badaczy z Uniwersytetu Aalto i ESPCI w Paryżu ma wyjaśnienie i dysponuje liczbami na jego poparcie.

Matilda Backholm, adiunkt Uniwersytetu Aalto, jest pierwszą autorką artykułu szczegółowo opisującego te ustalenia, opublikowanego 15 kwietnia w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Nauk. Prowadziła je w czasie stażu podoktorskiego w grupie ds. materii miękkiej i zwilżania profesora Robina Rasa na Wydziale Fizyki Stosowanej.

„Obserwując interakcje woda-powierzchnia, zazwyczaj w grę wchodzą trzy siły: tarcie w linii styku, straty lepkości i opór powietrza. Istnieje jednak czwarta siła, która powstaje w wyniku ruchu kropelek na bardzo śliskich powierzchniach, takich jak czarny krzem. Ruch ten w rzeczywistości powoduje efekt ścinający w powietrzu uwięzionym pod spodem, powodując powstanie siły przypominającej opór działającej na samą kroplę. Ta siła ścinająca nigdy wcześniej nie została wyjaśniona i jako pierwsi ją zidentyfikowaliśmy” – mówi Backholm.

Złożone interakcje fizyki płynów i materii miękkiej okazują się trudne do uproszczenia do prostych wzorów. Jednak Backholmowi udało się opracować technologię pomiaru tych maleńkich sił, wyjaśnić, jak działa ta siła i ostatecznie zapewnić rozwiązanie umożliwiające całkowite wyeliminowanie siły oporu.

Efekt ścinania powietrza

Stworzenie lepszych powierzchni superhydrofobowych sprawiłoby, że światowe systemy transportowe byłyby bardziej aerodynamiczne, urządzenia medyczne bardziej sterylne i ogólnie poprawiłyby śliskość wszystkiego, co wymaga powierzchni odpornej na ciecze.

Czarny krzem wykorzystuje specyficzne napięcie powierzchniowe wody, aby zminimalizować kontakt kropli z powierzchnią. Wytrawione na podłożu stożki sprawiają, że kropelki wody ślizgają się po szczelinie powietrznej, zwanej plastronem. Jednak wbrew intuicji sam mechanizm, który umożliwia powierzchniom hydrofobowym odchylanie kropelek wody, prowadzi również do efektu ścinania opisanego w artykule Backholma.

„W terenie tworzyliśmy te ultra śliskie powierzchnie, zmniejszając skalę długości stożków, aby były mniejsze i liczniejsze. Ale nikt nie zatrzymał się, aby zdać sobie sprawę: «Hej, tak naprawdę działamy tutaj przeciwko sobie». W rzeczywistości wytrawianie krótszych stożków na czarnej powierzchni krzemu prowadzi do większego efektu ścinania powietrza” – mówi Backholm.

Inni badacze zauważyli istnienie tej siły, ale nie byli w stanie jej wyjaśnić. Odkrycia Backholma skłaniają do ponownego rozważenia sposobu projektowania ultraśliskich powierzchni. Rozwiązanie zastosowane przez jej zespół polegało na dodaniu wyższych stożków z teksturowanymi nasadkami na czarną silikonową powierzchnię, aby jeszcze bardziej zminimalizować całkowitą powierzchnię styku kropelek.

„Ta praca opiera się na bogatej wiedzy specjalistycznej grupy badawczej Soft Matter and Wetting na temat powierzchni superhydrofobowych. Rzadko pojawia się możliwość pełnego wyjaśnienia subtelności mikroskopijnych sił związanych z dynamiką zwilżania, ale ten artykuł właśnie to osiąga: – mówi Ras.

Technika specjalistyczna

Backholm zaadaptował unikalną technikę pomiaru mikropipetą, aby zmierzyć siły działające na kropelki wody. Jest ekspertem w dziedzinie mikropipetowych czujników siły, ponieważ używała ich do pomiaru dynamiki wzrostu korzeni roślin, zachowań pływackich mezoskopowych rojów krewetek, a obecnie obserwuje siły działające w poruszających się kropelkach wody.

Dzięki żmudnym dostrojeniom udało jej się zastosować tę technikę do dokonania przełomu w identyfikacji efektu ścinania. Backholm oscylował kroplę i sondę, aby wykryć subtelne siły działające pod spodem.

„Wykluczyliśmy również możliwość, że na linii styku działają inne siły, przeprowadzając te same testy na kropelkach zawierających gaz. Krople te stale wydzielają dwutlenek węgla, powodując ich lewitację nieco nad powierzchnią, na której się znajdują. Mimo to efekt ścinania mierzono przy określonych prędkościach, co ostatecznie potwierdziło, że siła ta działa niezależnie od jej kontaktu z czarną powierzchnią krzemu” – mówi Backholm.

Backholm spodziewa się, że te odkrycia w dalszym stopniu umożliwią fizykom i inżynierom opracowywanie powierzchni hydrofobowych o lepszych parametrach.