Jurang mikroskopis yang membentuk lautan puncak bergerigi berbentuk kerucut menghiasi permukaan material yang disebut silikon hitam. Meskipun umumnya ditemukan dalam teknologi sel surya, silikon hitam juga berfungsi sebagai alat untuk mempelajari fisika tentang perilaku tetesan air.
Silikon hitam adalah bahan superhidrofobik, artinya dapat menolak air. Karena sifat tegangan permukaan air yang unik, tetesan air meluncur melintasi bahan bertekstur seperti silikon hitam dengan menaiki celah lapisan udara tipis yang terperangkap di bawahnya. Ini berfungsi dengan baik ketika tetesan bergerak perlahan—mereka tergelincir dan meluncur tanpa hambatan.
Namun ketika tetesan tersebut bergerak lebih cepat, suatu kekuatan yang tidak diketahui tampaknya menarik bagian bawahnya. Hal ini telah membingungkan para fisikawan, namun kini tim peneliti dari Aalto University dan ESPCI Paris mempunyai penjelasannya, dan mereka mempunyai angka-angka yang mendukungnya.
Asisten Profesor Universitas Aalto Matilda Backholm adalah penulis pertama makalah yang merinci temuan ini, yang diterbitkan pada 15 April di Prosiding National Academy of Sciences. Dia melakukan ini selama menjadi peneliti pascadoktoral di kelompok Materi Lunak dan Pembasahan Profesor Robin Ras di Departemen Fisika Terapan.
“Saat mengamati interaksi permukaan air, biasanya ada tiga gaya yang berperan: gesekan garis kontak, kehilangan viskos, dan hambatan udara. Namun, ada gaya keempat yang muncul dari pergerakan tetesan pada permukaan yang sangat licin seperti silikon hitam. Pergerakan ini justru menimbulkan efek geser pada udara yang terperangkap di bawahnya, sehingga menimbulkan gaya tarikan pada tetesan itu sendiri. Gaya geser ini belum pernah dijelaskan sebelumnya, dan kami adalah pihak pertama yang mengidentifikasinya,” kata Backholm.
Interaksi kompleks antara fisika fluida dan materi lunak terbukti sulit untuk disederhanakan menjadi rumus-rumus sederhana. Namun Backholm telah berhasil mengembangkan a teknologi untuk mengukur gaya-gaya kecil ini, menjelaskan cara kerja gaya tersebut, dan pada akhirnya memberikan solusi untuk menghilangkan gaya hambat sama sekali.
Efek geser udara
Menciptakan permukaan superhidrofobik yang lebih baik akan membuat sistem transportasi dunia menjadi lebih aerodinamis, peralatan medis menjadi lebih steril, dan secara umum meningkatkan kelicinan benda apa pun yang memerlukan permukaan anti cairan.
Silikon hitam memanfaatkan tegangan permukaan spesifik air untuk meminimalkan kontak antara tetesan dan permukaan. Kerucut yang terukir pada substrat membuat tetesan air meluncur di celah lapisan udara, yang dikenal sebagai plastron. Namun dalam arah yang berlawanan dengan intuisi, mekanisme yang memungkinkan permukaan hidrofobik membelokkan tetesan air juga mengarah pada efek geser yang diuraikan dalam makalah Backholm.
“Lapangan telah membuat permukaan yang sangat licin ini dengan mengurangi skala panjang kerucut menjadi lebih kecil dan lebih banyak. Namun tak seorang pun berhenti untuk menyadari, 'Hei, sebenarnya kita sedang bekerja melawan diri kita sendiri di sini.' Faktanya, mengetsa kerucut yang lebih pendek pada permukaan silikon hitam menghasilkan efek geseran udara yang lebih besar,” kata Backholm.
Peneliti lain telah mencatat adanya gaya ini namun belum mampu menjelaskannya. Temuan Backholm mendorong pertimbangan ulang terhadap desain permukaan yang sangat licin. Solusi yang dilakukan timnya adalah menambahkan kerucut yang lebih tinggi dengan tutup bertekstur ke permukaan silikon hitam untuk meminimalkan total luas permukaan kontak tetesan.
“Pekerjaan ini dibangun berdasarkan kekayaan keahlian dari kelompok penelitian Soft Matter and Wetting mengenai permukaan superhidrofobik. Jarang sekali ada kesempatan untuk menjelaskan secara lengkap seluk-beluk gaya mikroskopis yang terlibat dalam dinamika pembasahan, namun makalah ini mampu menjelaskan hal tersebut,” kata Ras.
Teknik khusus
Backholm mengadaptasi teknik pengukuran mikropipet unik untuk mengukur gaya yang bekerja melawan tetesan air. Dia ahli dalam sensor gaya mikropipet ini, dan pernah menggunakannya untuk mengukur dinamika pertumbuhan akar tanaman, perilaku berenang kawanan udang mesoskopik, dan sekarang dalam mengamati gaya pergerakan tetesan air.
Melalui penyesuaian yang sulit, dia mampu menggunakan teknik ini untuk membuat terobosan dalam mengidentifikasi efek geser. Backholm menggoyangkan tetesan dan probe untuk mendeteksi kekuatan halus yang menarik di bawahnya.
“Kami juga telah mengesampingkan kemungkinan bahwa ada kekuatan lain yang berperan di jalur kontak dengan melakukan pengujian yang sama pada tetesan berkarbonasi. Tetesan tersebut terus-menerus mengeluarkan gas karbon dioksida, menyebabkannya melayang sedikit di atas permukaan tempat mereka duduk. Meski begitu, efek geser diukur pada kecepatan tertentu, yang pada akhirnya menegaskan bahwa gaya ini bekerja secara independen dari kontaknya dengan permukaan silikon hitam,” kata Backholm.
Backholm berharap temuan ini akan memungkinkan fisikawan dan insinyur mengembangkan permukaan hidrofobik dengan kinerja lebih baik.