תהומות מיקרוסקופיות היוצרות ים של פסגות משוננים חרוטיות חוטות את פני השטח של חומר הנקרא סיליקון שחור. למרות שזה נפוץ בטכנולוגיה של תאים סולאריים, סיליקון שחור מאיר גם את אור הירח ככלי לחקר הפיזיקה של האופן שבו טיפות מים מתנהגות.
סיליקון שחור הוא חומר סופר הידרופובי, כלומר הוא דוחה מים. בשל תכונות מתח הפנים הייחודיות של המים, טיפות מחליקות על פני חומרים בעלי מרקם כמו סיליקון שחור על ידי רכיבה על מרווח של סרט אוויר דק הכלוא מתחת. זה עובד נהדר כאשר הטיפות נעות לאט - הן מחליקות וגולשות ללא תקלות.
אבל כשהטיפה זזה מהר יותר, נראה שכוח לא ידוע מושך בבטן שלה. זה הדהים את הפיזיקאים, אבל עכשיו לצוות חוקרים מאוניברסיטת אלטו ומ-ESPCI פריז יש הסבר, ויש להם את המספרים כדי לגבות אותו.
עוזר פרופסור מאוניברסיטת אלטו מתילדה בקהולם היא המחברת הראשונה של המאמר המפרט את הממצאים הללו, שפורסם ב-15 באפריל ב- PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים. היא ניהלה זאת בתקופתה כפוסט-דוקטורט בקבוצת החומר וההרטבה של פרופסור רובין ראס במחלקה לפיזיקה שימושית.
"כאשר מתבוננים באינטראקציות של מים-משטח, יש בדרך כלל שלושה כוחות במשחק: חיכוך קו מגע, הפסדים צמיגים והתנגדות אוויר. עם זאת, ישנו כוח רביעי הנובע מתנועת טיפות על משטחים חלקים מאוד כמו סיליקון שחור. תנועה זו למעשה יוצרת אפקט גזירה על האוויר הכלוא מתחת, וכתוצאה מכך כוח דמוי גרירה על הטיפה עצמה. כוח הגזירה הזה מעולם לא הוסבר בעבר, ואנחנו הראשונים לזהות אותו", אומר בקהולם.
האינטראקציות המורכבות של פיזיקת חומר נוזלי ורך מתגלות כמאתגרות לפשט אותן בנוסחאות חתוכות ומיובשות. אבל בקהולם הצליח לפתח א טֶכנוֹלוֹגִיָה למדוד את הכוחות הזעירים הללו, להסביר כיצד פועל הכוח, ולבסוף לספק את הפתרון לביטול כל כוח הגרר.
אפקט גזירת אוויר
יצירת משטחים סופר הידרופוביים טובים יותר תהפוך את מערכות התחבורה בעולם לאווירודינמיות יותר, למכשירים רפואיים יותר סטריליים, ובדרך כלל תשפר את החלקלקות של כל דבר שדורש משטח דוחה נוזלים.
סיליקון שחור מנצל את מתח הפנים הספציפי של מים כדי למזער את המגע בין הטיפה למשטח. קונוסים שנחרטו על המצע גורמים לטיפות המים להחליק על מרווח של סרט אוויר, המכונה פלסטרון. אבל בטוויסט מנוגד לאינטואיציה, עצם המנגנון שמאפשר למשטחים הידרופוביים להסיט טיפות מים מוביל גם לאפקט הגזירה המתואר במאמר של בקהולם.
"התחום הפך את המשטחים האולטרה-חלקלקים הללו על ידי הקטנת קנה המידה של האורך של הקונוסים כדי להפוך אותם לקטנים יותר ושופעים יותר. אבל אף אחד לא עצר להבין, 'היי, אנחנו בעצם עובדים נגד עצמנו כאן'. למעשה, חריטה של קונוסים קצרים יותר על משטח הסיליקון השחור מובילה לאפקט גדול יותר של גזירת אוויר", אומר בקהולם.
חוקרים אחרים ציינו את קיומו של כוח זה אך לא הצליחו להסביר אותו. הממצאים של Backholm מעוררים בחינה מחדש של האופן שבו משטחים חלקלקים במיוחד מתוכננים. הדרך לעקיפת הבעיה של הצוות שלה הייתה להוסיף קונוסים גבוהים יותר עם מכסים בעלי מרקם על משטח הסיליקון השחור כדי למזער עוד יותר את שטח המגע הכולל של הטיפות.
"עבודה זו מתבססת על שפע המומחיות של קבוצת המחקר של חומר רך והרטבה בנושא משטחים סופר הידרופוביים. רק לעתים נדירות מופיעה ההזדמנות להסביר באופן מלא את הדקויות של הכוחות המיקרוסקופיים המעורבים בדינמיקה של הרטבה, אבל המאמר הזה משיג בדיוק את זה", אומר ראס.
טכניקה מיוחדת
Backholm התאים טכניקת מדידת מיקרופיפטה ייחודית כדי לאמוד את הכוחות הפועלים נגד טיפות המים. היא מומחית בחיישני כוח המיקרופיפטה הללו, לאחר שהשתמשה בהם כדי למדוד את דינמיקת הצמיחה של שורשי הצמח, התנהגות השחייה של נחילי שרימפס מזוסקופיים, וכעת בהתבוננות בכוחות בטיפות מים הנעות.
באמצעות כוונון עדין מפרך, היא הצליחה להשתמש בטכניקה זו כדי לעשות את פריצת הדרך בזיהוי אפקט הגזירה. בקהולם הניע את הטיפה והבדיקה כדי לזהות את הכוחות העדינים המושכים מתחת.
"שללנו גם את האפשרות שיש כוחות אחרים במשחק על קו המגע על ידי הפעלת אותן בדיקות על טיפות מוגזות. הטיפות הללו יוצאות כל הזמן מפחמן דו חמצני מהגז, מה שגורם להן לרחף מעט מעל המשטחים שעליהם הם יושבים. אפילו עדיין, אפקט הגזירה נמדד במהירויות מסוימות, מה שבסופו של דבר מאשר שכוח זה פועל ללא תלות במגע שלו עם משטח הסיליקון השחור", אומר בקהולם.
Backholm צופה שהממצאים הללו יאפשרו לפיסיקאים ומהנדסים לפתח משטחים הידרופוביים עם ביצועים טובים יותר.