ブラックシリコンと呼ばれる素材の表面には、円錐形のギザギザの山を形成する微細な裂け目が点状に刻まれています。ブラックシリコンは太陽電池技術でよく見られますが、水滴がどのように動作するかの物理学を研究するためのツールとしても役立ちます。
ブラックシリコンは超疎水性素材であり、水をはじきます。水の独特の表面張力特性により、水滴は下に閉じ込められた薄い空気膜の隙間に乗って黒いシリコンのようなテクスチャーのある素材の上を滑ります。これは、液滴がゆっくりと移動する場合に効果的です。つまり、液滴が滞りなく滑って滑ります。
しかし、液滴の動きが速くなると、何か未知の力がその下腹を引っ張っているように見えます。これには物理学者たちは困惑していたが、アールト大学とESPCIパリの研究者チームが説明をし、それを裏付ける数字も得た。
アアルト大学助教授マチルダ・バックホルムは、これらの発見を詳述した論文の筆頭著者であり、15月XNUMX日に雑誌に掲載された。 米国科学アカデミー紀要。彼女は、応用物理学科のロビン ラス教授のソフトマターおよびウェッティング グループのポスドク研究員としてこれを実施しました。
「水面の相互作用を観察する場合、通常、接触線の摩擦、粘性損失、空気抵抗という 3 つの力が作用します。ただし、黒いシリコンのような非常に滑りやすい表面上の液滴の動きから生じる 4 番目の力があります。この動きは実際に、下に閉じ込められた空気にせん断効果を生み出し、その結果、液滴自体に抗力のような力が生じます。このせん断力はこれまで解明されておらず、私たちが初めてそれを特定したのです」とバックホルム氏は言う。
流体とソフトマターの物理学の複雑な相互作用は、カットアンドドライの公式に単純化することが困難であることが判明しています。しかし、バックホルムはなんとか開発しました。 テクノロジー これらの小さな力を測定し、力がどのように作用するかを説明し、最終的に抗力を完全に排除するための解決策を提供します。
エアシェアリング効果
より優れた超疎水性表面を作成できれば、世界の輸送システムはより空気力学的になり、医療機器はより無菌になり、一般に、撥液性の表面を必要とするあらゆるものの滑りやすさが向上します。
ブラックシリコンは水の比表面張力を利用して、液滴と表面の接触を最小限に抑えます。基板上にエッチングされた円錐により、水滴が腹膜として知られる空気膜のギャップ上を滑走します。しかし、直観に反して、疎水性の表面が水滴をそらすことを可能にするメカニズム自体が、バックホルムの論文で概要が説明されているせん断効果にもつながります。
「この分野では、コーンの長さのスケールを減らしてコーンをより小さく、より豊富にすることで、このような超滑りやすい表面を作成してきました。しかし、「ねえ、私たちは実際にここで自分自身に対して取り組んでいるのだ」と理解するために立ち止まった人は誰もいません。実際には、黒いシリコン表面に短い円錐をエッチングすると、より大きな空気剪断効果が得られます」とバックホルム氏は言います。
他の研究者はこの力の存在に気づいていますが、それを説明することはできていません。バックホルム氏の発見は、非常に滑りやすい表面の設計方法の再考を促します。彼女のチームの回避策は、黒いシリコン表面にテクスチャー加工されたキャップを備えた背の高いコーンを追加して、液滴の総接触表面積をさらに最小化することでした。
「この研究は、超疎水性表面に関するソフトマターおよびウェッティング研究グループの豊富な専門知識に基づいて構築されています。湿潤力学に関与する微視的な力の微妙さを完全に説明する機会はめったにありませんが、この論文はまさにそれを達成しています」とラス氏は言います。
専門技術
バックホルム氏は、水滴に作用する力を測定するために独自のマイクロピペット測定技術を採用しました。彼女はこれらのマイクロピペット力センサーの専門家であり、植物の根の成長ダイナミクスやメゾスコピックなエビの群れの遊泳行動の測定にマイクロピペット力センサーを使用し、現在は移動する水滴の力を観察しています。
困難な微調整を経て、彼女はこのテクニックを使用してせん断効果を特定するという画期的な進歩を遂げることができました。バックホルム氏は液滴とプローブを振動させて、その下を引っ張る微妙な力を検出しました。
「また、炭酸液滴に対して同じテストを実行することで、接触ラインに他の力が作用している可能性も排除しました。これらの液滴は常に二酸化炭素を放出し、その液滴が置かれている表面からわずかに上に浮遊します。それでも、せん断効果は特定の速度で測定され、最終的に、この力が黒いシリコン表面との接触とは無関係に作用することが確認されました」とバックホルム氏は言います。
バックホルム氏は、これらの発見により、物理学者や技術者がより優れた性能を備えた疎水性表面を開発できるようになると期待している。