Jurang mikroskopik yang membentuk lautan puncak bergerigi kon menyekat permukaan bahan yang dipanggil silikon hitam. Walaupun ia biasa ditemui dalam teknologi sel suria, silikon hitam juga menyala sebagai alat untuk mengkaji fizik bagaimana titisan air berkelakuan.
Silikon hitam adalah bahan superhidrofobik, bermakna ia menangkis air. Disebabkan sifat tegangan permukaan air yang unik, titisan meluncur merentasi bahan bertekstur seperti silikon hitam dengan menaiki celah filem udara nipis yang terperangkap di bawahnya. Ini berfungsi dengan baik apabila titisan bergerak perlahan—ia tergelincir dan meluncur tanpa sebarang halangan.
Tetapi apabila titisan itu bergerak lebih pantas, beberapa kuasa yang tidak diketahui kelihatan menarik perutnya. Ini telah membingungkan ahli fizik, tetapi kini pasukan penyelidik dari Universiti Aalto dan ESPCI Paris mempunyai penjelasan, dan mereka mempunyai nombor untuk menyokongnya.
Penolong Profesor Universiti Aalto Matilda Backholm ialah pengarang pertama kertas kerja yang memperincikan penemuan ini, diterbitkan pada 15 April dalam Prosiding National Academy of Sciences. Beliau menjalankan ini semasa beliau sebagai penyelidik pasca doktoral dalam kumpulan Soft Matter and Wetting Profesor Robin Ras di Jabatan Fizik Gunaan.
"Apabila memerhati interaksi permukaan air, biasanya terdapat tiga daya yang bermain: geseran talian sentuhan, kehilangan likat dan rintangan udara. Walau bagaimanapun, terdapat daya keempat yang timbul daripada pergerakan titisan pada permukaan yang sangat licin seperti silikon hitam. Pergerakan ini sebenarnya menghasilkan kesan ricih pada udara yang terperangkap di bawahnya, mengakibatkan daya seretan pada titisan itu sendiri. Daya ricih ini tidak pernah dijelaskan sebelum ini, dan kami adalah yang pertama mengenal pastinya, "kata Backholm.
Interaksi kompleks fizik bendalir dan bahan lembut terbukti mencabar untuk dipermudahkan menjadi formula potong dan kering. Tetapi Backholm telah berjaya membangunkan a teknologi untuk mengukur daya kecil ini, menerangkan cara daya berfungsi, dan akhirnya memberikan penyelesaian untuk menghapuskan daya seret sama sekali.
Kesan ricih udara
Mencipta permukaan superhidrofobik yang lebih baik akan menjadikan sistem pengangkutan dunia lebih aerodinamik, peranti perubatan lebih steril, dan secara amnya meningkatkan kelicinan apa-apa sahaja yang memerlukan permukaan penghalau cecair.
Silikon hitam mengeksploitasi tegangan permukaan khusus air untuk meminimumkan sentuhan antara titisan dan permukaan. Kon yang terukir pada substrat menjadikan titisan air meluncur pada celah filem udara, yang dikenali sebagai plastron. Tetapi dalam sentuhan berlawanan dengan intuisi, mekanisme yang membolehkan permukaan hidrofobik memesongkan titisan air juga membawa kepada kesan ricih yang digariskan dalam kertas Backholm.
"Lapangan telah membuat permukaan ultra licin ini dengan mengurangkan skala panjang kon untuk menjadikannya lebih kecil dan lebih banyak. Tetapi tiada siapa yang berhenti untuk menyedari, 'Hei, kami sebenarnya bekerja menentang diri kami di sini.' Sebenarnya, menggores kon yang lebih pendek pada permukaan silikon hitam membawa kepada kesan ricih udara yang lebih besar,” kata Backholm.
Penyelidik lain telah mencatat kewujudan kuasa ini tetapi tidak dapat menjelaskannya. Penemuan Backholm mendorong pertimbangan semula tentang cara reka bentuk permukaan ultra licin. Penyelesaian pasukannya ialah menambah kon yang lebih tinggi dengan penutup bertekstur pada permukaan silikon hitam untuk meminimumkan lagi jumlah luas permukaan sentuhan titisan.
“Kerja ini dibina berdasarkan kekayaan kepakaran daripada kumpulan penyelidikan Soft Matter dan Wetting mengenai subjek permukaan superhidrofobik. Jarang sekali peluang muncul untuk menerangkan sepenuhnya kehalusan daya mikroskopik yang terlibat dalam dinamik pembasahan, tetapi kertas ini mencapai perkara itu, "kata Ras.
Teknik khusus
Backholm menyesuaikan teknik pengukuran mikropipet yang unik untuk mengukur daya yang bertindak terhadap titisan air. Dia pakar dalam penderia daya mikropipet ini, setelah menggunakannya untuk mengukur dinamik pertumbuhan akar tumbuhan, tingkah laku berenang kawanan udang mesoskopik, dan kini dalam memerhati daya dalam titisan air yang bergerak.
Melalui penalaan halus yang sukar, dia dapat menggunakan teknik ini untuk membuat kejayaan dalam mengenal pasti kesan ricih. Backholm mengayunkan titisan dan siasatan untuk mengesan daya halus yang menarik di bawah.
“Kami juga telah menolak kemungkinan terdapat sebarang kuasa lain yang bermain di talian hubungan dengan menjalankan ujian yang sama pada titisan berkarbonat. Titisan tersebut sentiasa mengeluarkan gas karbon dioksida, menyebabkan ia terapung sedikit di atas permukaan yang mereka duduki. Walaupun begitu, kesan ricih diukur pada halaju tertentu, akhirnya mengesahkan bahawa daya ini bertindak secara bebas daripada sentuhannya dengan permukaan silikon hitam, "kata Backholm.
Backholm menjangkakan penemuan ini akan membolehkan ahli fizik dan jurutera membangunkan permukaan hidrofobik dengan prestasi yang lebih baik.