Mikroskopisch kleine Abgründe, die ein Meer aus konischen, gezackten Spitzen bilden, punktieren die Oberfläche eines Materials namens schwarzes Silizium. Während es häufig in der Solarzellentechnologie zu finden ist, dient schwarzes Silizium auch als Hilfsmittel zur Untersuchung der Physik des Verhaltens von Wassertröpfchen.
Schwarzes Silizium ist ein superhydrophobes Material, das heißt, es weist Wasser ab. Aufgrund der einzigartigen Oberflächenspannungseigenschaften von Wasser gleiten Tröpfchen über strukturierte Materialien wie schwarzes Silizium, indem sie auf einem darunter eingeschlossenen dünnen Luftfilmspalt gleiten. Dies funktioniert hervorragend, wenn sich die Tröpfchen langsam bewegen – sie gleiten und gleiten reibungslos.
Aber wenn sich das Tröpfchen schneller bewegt, scheint eine unbekannte Kraft an seiner Unterseite zu ziehen. Dies hat die Physiker verblüfft, aber jetzt hat ein Forscherteam der Aalto-Universität und des ESPCI Paris eine Erklärung und die Zahlen, die es untermauern.
Matilda Backholm, Assistenzprofessorin an der Aalto-Universität, ist die erste Autorin des Artikels, der diese Ergebnisse detailliert beschreibt und am 15. April im veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences. Sie führte dies während ihrer Zeit als Postdoktorandin in der Gruppe „Soft Matter and Wetting“ von Professor Robin Ras am Fachbereich Angewandte Physik durch.
„Bei der Beobachtung von Wasser-Oberflächen-Wechselwirkungen spielen typischerweise drei Kräfte eine Rolle: Reibung an der Kontaktlinie, viskose Verluste und Luftwiderstand. Es gibt jedoch eine vierte Kraft, die durch die Bewegung von Tröpfchen auf sehr rutschigen Oberflächen wie schwarzem Silizium entsteht. Diese Bewegung erzeugt tatsächlich einen Schereffekt auf die darunter eingeschlossene Luft, was zu einer widerstandsähnlichen Kraft auf das Tröpfchen selbst führt. Diese Scherkraft wurde noch nie zuvor erklärt und wir sind die ersten, die sie identifiziert haben“, sagt Backholm.
Es erweist sich als schwierig, die komplexen Wechselwirkungen der Physik von Flüssigkeiten und weicher Materie in klare Formeln zu vereinfachen. Aber Backholm hat es geschafft, eine zu entwickeln Technologie um diese winzigen Kräfte zu messen, zu erklären, wie die Kraft funktioniert, und schließlich die Lösung zur vollständigen Eliminierung der Widerstandskraft bereitzustellen.
Luftscherender Effekt
Die Schaffung besserer superhydrophober Oberflächen würde die Transportsysteme der Welt aerodynamischer und medizinische Geräte steriler machen und allgemein die Rutschfestigkeit von allem verbessern, was eine flüssigkeitsabweisende Oberfläche erfordert.
Schwarzes Silizium nutzt die spezifische Oberflächenspannung von Wasser, um den Kontakt zwischen Tropfen und Oberfläche zu minimieren. Auf das Substrat geätzte Kegel sorgen dafür, dass die Wassertropfen auf einem Luftfilmspalt, einem sogenannten Plastron, gleiten. Aber in einer kontraintuitiven Wendung führt der Mechanismus, der es hydrophoben Oberflächen ermöglicht, Wassertropfen abzulenken, auch zu dem in Backholms Artikel beschriebenen Schereffekt.
„Das Forschungsfeld hat diese extrem rutschigen Oberflächen dadurch erzeugt, dass es die Länge der Kegel reduziert hat, um sie kleiner und zahlreicher zu machen. Aber niemand ist sich bewusst geworden: „Hey, wir arbeiten hier tatsächlich gegen uns selbst.“ Tatsächlich führt das Ätzen kürzerer Kegel auf die schwarze Siliziumoberfläche zu einem größeren Luftschereffekt“, sagt Backholm.
Andere Forscher haben die Existenz dieser Kraft festgestellt, konnten sie jedoch nicht erklären. Die Erkenntnisse von Backholm führen zu einer Neuüberlegung der Art und Weise, wie extrem rutschige Oberflächen gestaltet werden. Der Workaround ihres Teams bestand darin, höhere Kegel mit strukturierten Kappen auf der schwarzen Silikonoberfläche anzubringen, um die gesamte Kontaktfläche der Tröpfchen weiter zu minimieren.
„Diese Arbeit baut auf dem umfangreichen Fachwissen der Forschungsgruppe Soft Matter and Wetting zum Thema superhydrophobe Oberflächen auf. Selten bietet sich die Gelegenheit, die Feinheiten der mikroskopischen Kräfte, die an der Benetzungsdynamik beteiligt sind, vollständig zu erklären, aber dieser Artikel schafft genau das“, sagt Ras.
Spezialisierte Technik
Backholm hat eine einzigartige Mikropipetten-Messtechnik angepasst, um die Kräfte zu messen, die auf die Wassertröpfchen wirken. Sie ist eine Expertin für diese Mikropipetten-Kraftsensoren. Sie hat damit die Wachstumsdynamik von Pflanzenwurzeln gemessen, das Schwimmverhalten mesoskopischer Garnelenschwärme und nun auch die Kräfte in sich bewegenden Wassertropfen.
Durch mühsame Feinabstimmung gelang ihr mit dieser Technik der Durchbruch bei der Identifizierung des Schereffekts. Backholm ließ das Tröpfchen und die Sonde oszillieren, um die subtilen Kräfte zu erkennen, die darunter ziehen.
„Wir haben auch die Möglichkeit ausgeschlossen, dass an der Kontaktlinie andere Kräfte wirken, indem wir dieselben Tests an kohlensäurehaltigen Tröpfchen durchgeführt haben. Diese Tröpfchen strömen ständig Kohlendioxid aus, wodurch sie leicht über den Oberflächen schweben, auf denen sie sitzen. Dennoch wurde der Schereffekt bei bestimmten Geschwindigkeiten gemessen, was letztendlich bestätigte, dass diese Kraft unabhängig von ihrem Kontakt mit der schwarzen Siliziumoberfläche wirkt“, sagt Backholm.
Backholm geht davon aus, dass diese Erkenntnisse es Physikern und Ingenieuren weiterhin ermöglichen werden, hydrophobe Oberflächen mit besserer Leistung zu entwickeln.