Microscopische kloven die een zee van conische puntige pieken vormen, stippelen het oppervlak uit van een materiaal dat zwart silicium wordt genoemd. Hoewel het vaak wordt aangetroffen in zonneceltechnologie, doet zwart silicium ook dienst als hulpmiddel bij het bestuderen van de fysica van hoe waterdruppels zich gedragen.
Zwart silicium is een superhydrofoob materiaal, wat betekent dat het water afstoot. Vanwege de unieke oppervlaktespanningseigenschappen van water glijden druppels over gestructureerde materialen zoals zwart silicium door op een dunne luchtfilmopening daaronder te rijden. Dit werkt prima als de druppels langzaam bewegen: ze glijden en glijden zonder problemen.
Maar wanneer de druppel sneller beweegt, lijkt het alsof een onbekende kracht aan de onderbuik trekt. Dit heeft natuurkundigen verbijsterd, maar nu heeft een team van onderzoekers van de Aalto Universiteit en ESPCI Parijs een verklaring, en ze hebben de cijfers om deze te ondersteunen.
Aalto University assistent-professor Matilda Backholm is de eerste auteur van het artikel waarin deze bevindingen worden beschreven, gepubliceerd op 15 april in de Proceedings van de National Academy of Sciences. Ze deed dit tijdens haar tijd als postdoctoraal onderzoeker bij de groep Soft Matter and Wetting van professor Robin Ras bij de faculteit Technische Natuurkunde.
“Bij het observeren van interacties tussen het water en het oppervlak spelen doorgaans drie krachten een rol: contactlijnwrijving, stroperige verliezen en luchtweerstand. Er is echter een vierde kracht die voortkomt uit de beweging van druppels op zeer gladde oppervlakken zoals zwart silicium. Deze beweging creëert feitelijk een schuifeffect op de lucht die eronder zit, wat resulteert in een sleepkracht op de druppel zelf. Deze schuifkracht is nog nooit eerder verklaard en wij zijn de eersten die deze hebben geïdentificeerd”, zegt Backholm.
De complexe interacties tussen de fysica van vloeibare en zachte materie blijken een uitdaging te zijn om te vereenvoudigen tot kant-en-klare formules. Maar Backholm is erin geslaagd een technologie om deze kleine krachten te meten, uit te leggen hoe de kracht werkt, en uiteindelijk de oplossing te bieden voor het helemaal elimineren van de sleepkracht.
Luchtschuivend effect
Het creëren van betere superhydrofobe oppervlakken zou de transportsystemen in de wereld aerodynamischer maken, medische apparaten sterieler, en in het algemeen de gladheid verbeteren van alles wat een vloeistofafstotend oppervlak nodig heeft.
Zwart silicium maakt gebruik van de specifieke oppervlaktespanning van water om het contact tussen de druppel en het oppervlak te minimaliseren. Kegels die op het substraat zijn geëtst, zorgen ervoor dat de waterdruppels over een luchtfilmspleet glijden, ook wel een plastron genoemd. Maar op een contra-intuïtieve manier leidt juist het mechanisme dat ervoor zorgt dat hydrofobe oppervlakken waterdruppels kunnen afbuigen ook tot het afschuifeffect dat in het artikel van Backholm wordt geschetst.
“Het veld heeft deze ultragladde oppervlakken gemaakt door de lengteschaal van de kegels te verkleinen, zodat ze kleiner en overvloediger zijn. Maar niemand heeft zich gerealiseerd: 'Hé, we werken onszelf hier eigenlijk tegen.' In werkelijkheid leidt het etsen van kortere kegels op het zwarte siliciumoppervlak tot een groter luchtschuifeffect”, zegt Backholm.
Andere onderzoekers hebben het bestaan van deze kracht opgemerkt, maar hebben deze niet kunnen verklaren. De bevindingen van Backholm leiden tot een heroverweging van de manier waarop ultragladde oppervlakken worden ontworpen. De oplossing van haar team was om grotere kegels met getextureerde doppen op het zwarte siliciumoppervlak toe te voegen om het totale contactoppervlak van de druppels verder te minimaliseren.
“Dit werk bouwt voort op de schat aan expertise van de onderzoeksgroep Soft Matter and Wetting op het gebied van superhydrofobe oppervlakken. Zelden doet zich de mogelijkheid voor om de subtiliteiten van de microscopische krachten die betrokken zijn bij de bevochtigingsdynamiek volledig uit te leggen, maar dit artikel doet precies dat”, zegt Ras.
Gespecialiseerde techniek
Backholm paste een unieke micropipetmeettechniek toe om de krachten te meten die op de waterdruppels inwerken. Ze is een expert op het gebied van deze micropipetkrachtsensoren. Ze heeft ze gebruikt om de groeidynamiek van plantenwortels en het zwemgedrag van mesoscopische garnalenzwermen te meten, en nu ook om de krachten in bewegende waterdruppels te observeren.
Door moeizame verfijning kon ze deze techniek gebruiken om de doorbraak te bereiken in het identificeren van het schuifeffect. Backholm liet de druppel en de sonde heen en weer bewegen om de subtiele krachten te detecteren die eronder trokken.
“We hebben ook de mogelijkheid uitgesloten dat er andere krachten in het spel zijn op de contactlijn door dezelfde tests uit te voeren op koolzuurhoudende druppels. Die druppeltjes scheiden voortdurend kooldioxide af, waardoor ze iets boven de oppervlakken waarop ze zitten zweven. Nog steeds werd het afschuifeffect gemeten bij bepaalde snelheden, wat uiteindelijk bevestigde dat deze kracht onafhankelijk werkt van het contact met het zwarte siliciumoppervlak”, zegt Backholm.
Backholm verwacht dat deze bevindingen natuurkundigen en ingenieurs verder in staat zullen stellen hydrofobe oppervlakken met betere prestaties te ontwikkelen.