Микроскопические трещины, образующие море конических зубчатых пиков, испещряют поверхность материала, называемого черным кремнием. Хотя черный кремний обычно используется в технологии солнечных батарей, он также подрабатывает инструментом для изучения физики поведения капель воды.
Черный кремний — супергидрофобный материал, то есть отталкивает воду. Благодаря уникальным свойствам поверхностного натяжения воды, капли скользят по текстурированным материалам, таким как черный кремний, перемещаясь по тонкому зазору из воздушной пленки, заключенному под ним. Это прекрасно работает, когда капли движутся медленно — они скользят без заминок.
Но когда капля движется быстрее, кажется, что какая-то неизвестная сила тянет ее за нижнюю часть живота. Это поставило физиков в тупик, но теперь у группы исследователей из Университета Аалто и парижского ESPCI есть объяснение, и у них есть цифры, подтверждающие это.
Доцент Университета Аалто Матильда Бакхольм — первый автор статьи, в которой подробно описываются эти выводы, опубликованной 15 апреля в журнале Труды Национальной академии наук. Она проводила это во время работы в качестве постдокторанта в группе профессора Робина Раса по мягкой материи и смачиванию на факультете прикладной физики.
«При наблюдении за взаимодействием воды с поверхностью обычно действуют три силы: трение по линии контакта, вязкие потери и сопротивление воздуха. Однако существует четвертая сила, возникающая в результате движения капель на очень скользких поверхностях, таких как черный кремний. Это движение фактически создает эффект сдвига для воздуха, находящегося под ним, в результате чего на самой капле возникает сила сопротивления, подобная силе сопротивления. Эта сила сдвига никогда раньше не объяснялась, и мы первые, кто ее определил», — говорит Бэкхольм.
Сложные взаимодействия физики жидкости и мягкой материи сложно свести к шаблонным формулам. Но Бэкхольму удалось разработать technology измерить эти крошечные силы, объяснить, как эта сила работает, и, наконец, найти решение, позволяющее полностью устранить силу сопротивления.
Эффект сдвига воздуха
Создание более качественных супергидрофобных поверхностей сделает мировые транспортные системы более аэродинамичными, медицинские устройства более стерильными и в целом улучшит скользкость всего, что требует водоотталкивающей поверхности.
Черный кремний использует удельное поверхностное натяжение воды, чтобы минимизировать контакт между каплей и поверхностью. Конусы, выгравированные на подложке, заставляют капли воды скользить по зазору в воздушной пленке, известному как пластрон. Но как ни странно, тот самый механизм, который позволяет гидрофобным поверхностям отклонять капли воды, также приводит к эффекту сдвига, описанному в статье Бэкхольма.
«Поле создавало эти сверхскользкие поверхности за счет уменьшения длины конусов, чтобы сделать их меньше и больше. Но никто не остановился и не осознал: «Эй, на самом деле мы здесь работаем против самих себя». На самом деле, травление более коротких конусов на черной кремниевой поверхности приводит к большему эффекту сдвига воздуха», — говорит Бэкхольм.
Другие исследователи отметили существование этой силы, но не смогли ее объяснить. Результаты Бэкхольма побуждают пересмотреть подход к проектированию сверхскользких поверхностей. Обходной путь ее команды заключался в добавлении более высоких конусов с текстурированными колпачками на поверхность черного кремния, чтобы еще больше минимизировать общую площадь контактной поверхности капель.
«Эта работа основана на богатом опыте исследовательской группы Soft Matter and Wetting в области супергидрофобных поверхностей. Редко появляется возможность полностью объяснить тонкости микроскопических сил, участвующих в динамике смачивания, но эта статья позволяет сделать именно это», — говорит Рас.
Специализированная техника
Бэкхольм адаптировал уникальную технику измерения с помощью микропипеток для измерения сил, действующих на капли воды. Она является экспертом в области датчиков силы на основе микропипеток: она использовала их для измерения динамики роста корней растений, поведения при плавании мезоскопических стай креветок, а теперь и для наблюдения за силами, действующими в движущихся каплях воды.
Благодаря трудной настройке ей удалось использовать эту технику, чтобы совершить прорыв в выявлении эффекта сдвига. Бэкхольм колебал каплю и зонд, чтобы обнаружить тонкие силы, тянущие снизу.
«Мы также исключили возможность того, что на линии соприкосновения действуют какие-либо другие силы, проведя те же тесты на каплях углекислого газа. Эти капли постоянно выделяют углекислый газ, заставляя их слегка парить над поверхностями, на которых они находятся. Тем не менее, эффект сдвига был измерен при определенных скоростях, что в конечном итоге подтвердило, что эта сила действует независимо от ее контакта с черной поверхностью кремния», — говорит Бэкхольм.
Бэкхольм ожидает, что эти открытия позволят физикам и инженерам разрабатывать гидрофобные поверхности с лучшими характеристиками.