นักฟิสิกส์อธิบายและกำจัดแรงที่ไม่รู้จักซึ่งลากต่อหยดน้ำบนพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำเป็นพิเศษ

ช่องว่างขนาดเล็กที่ก่อตัวเป็นทะเลของยอดเขาหยักทรงกรวยทำให้พื้นผิวของวัสดุที่เรียกว่าซิลิคอนสีดำ แม้ว่าจะพบได้ทั่วไปในเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ แต่ซิลิกอนสีดำยังมีแสงจันทร์เป็นเครื่องมือในการศึกษาฟิสิกส์ของพฤติกรรมของหยดน้ำ

ซิลิคอนสีดำเป็นวัสดุที่ไม่ชอบน้ำ ซึ่งหมายความว่ามันจะขับไล่น้ำ เนื่องจากคุณสมบัติแรงตึงผิวที่เป็นเอกลักษณ์ของน้ำ หยดจึงเหินผ่านวัสดุที่มีพื้นผิว เช่น ซิลิคอนสีดำ โดยการขี่ไปบนช่องว่างของฟิล์มอากาศบางๆ ที่ติดอยู่ด้านล่าง วิธีนี้ใช้ได้ผลดีเมื่อหยดละอองเคลื่อนที่ช้าๆ โดยจะลื่นและเลื่อนโดยไม่มีการติดขัด

แต่เมื่อหยดนั้นเคลื่อนที่เร็วขึ้น ดูเหมือนว่ามีแรงบางอย่างที่ไม่รู้จักจะดึงไปที่ส่วนล่างของมัน เรื่องนี้ทำให้นักฟิสิกส์นิ่งงัน แต่ตอนนี้ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Aalto และ ESPCI Paris มีคำอธิบายแล้ว และพวกเขาก็ได้ตัวเลขมาสนับสนุนแล้ว

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Matilda Backholm จากมหาวิทยาลัย Aalto เป็นผู้เขียนบทความคนแรกที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับข้อค้นพบนี้ ซึ่งตีพิมพ์เมื่อวันที่ 15 เมษายนในวารสาร กิจการของ National Academy of Sciences- เธอดำเนินการนี้ในช่วงเวลาที่เธอดำรงตำแหน่งนักวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่ม Soft Matter และ Wetting ของศาสตราจารย์ Robin Ras ในภาควิชาฟิสิกส์ประยุกต์

“เมื่อสังเกตปฏิกิริยาระหว่างผิวน้ำ โดยทั่วไปจะมีแรงสามชนิดที่มีบทบาท: แรงเสียดทานของเส้นสัมผัส การสูญเสียที่มีความหนืด และแรงต้านของอากาศ อย่างไรก็ตาม มีแรงประการที่สี่ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนตัวของหยดบนพื้นผิวที่ลื่นมาก เช่น ซิลิคอนสีดำ การเคลื่อนไหวนี้ทำให้เกิดแรงเฉือนต่ออากาศที่ติดอยู่ด้านล่าง ส่งผลให้เกิดแรงคล้ายแรงลากต่อตัวหยดเอง แรงเฉือนนี้ไม่เคยมีการอธิบายมาก่อน และเราเป็นคนแรกที่ระบุได้” Backholm กล่าว

ปฏิกิริยาที่ซับซ้อนของฟิสิกส์ของของไหลและของไหลกลายเป็นเรื่องท้าทายในการทำให้กลายเป็นสูตรแบบตัดและแห้งได้อย่างง่ายดาย แต่ Backholm ก็สามารถพัฒนาให้มี เทคโนโลยี เพื่อวัดแรงเล็กๆ เหล่านี้ อธิบายวิธีการทำงานของแรง และสุดท้ายก็ให้แนวทางในการกำจัดแรงลากโดยสิ้นเชิง

ผลกระทบจากการตัดอากาศ

การสร้างพื้นผิวซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิกที่ดีขึ้นจะทำให้ระบบการขนส่งของโลกมีอากาศพลศาสตร์มากขึ้น อุปกรณ์ทางการแพทย์ปลอดเชื้อมากขึ้น และโดยทั่วไปจะปรับปรุงความลื่นของทุกสิ่งที่ต้องใช้พื้นผิวขับไล่ของเหลว

ซิลิคอนสีดำใช้ประโยชน์จากแรงตึงผิวจำเพาะของน้ำเพื่อลดการสัมผัสระหว่างหยดกับพื้นผิว กรวยที่สลักอยู่บนพื้นผิวทำให้หยดน้ำเหินไปบนช่องว่างของฟิล์มอากาศที่เรียกว่าพลาสตรอน แต่กลไกที่ทำให้พื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำสามารถเบนเข็มหยดน้ำกลับไปสู่ผลกระทบจากแรงเฉือนดังที่อธิบายไว้ในกระดาษของ Backholm เช่นกัน

“สนามนี้ทำให้พื้นผิวลื่นเป็นพิเศษโดยการลดขนาดความยาวของกรวยให้เล็กลงและอุดมสมบูรณ์มากขึ้น แต่ไม่มีใครหยุดตระหนักว่า 'เฮ้ เรากำลังต่อสู้กับตัวเองจริงๆ ที่นี่' ในความเป็นจริง การกัดกรวยที่สั้นกว่าลงบนพื้นผิวซิลิคอนสีดำจะทำให้เกิดแรงเฉือนอากาศมากขึ้น” Backholm กล่าว

นักวิจัยคนอื่นๆ ได้สังเกตเห็นการมีอยู่ของพลังนี้แต่ไม่สามารถอธิบายได้ การค้นพบของแบ็คโฮล์มกระตุ้นให้เกิดการพิจารณาใหม่ถึงวิธีการออกแบบพื้นผิวที่ลื่นเป็นพิเศษ วิธีแก้ปัญหาของทีมของเธอคือการเพิ่มกรวยที่สูงขึ้นพร้อมฝาปิดที่มีพื้นผิวลงบนพื้นผิวซิลิคอนสีดำ เพื่อลดพื้นที่ผิวสัมผัสทั้งหมดของหยดให้เหลือน้อยที่สุด

“งานนี้ต่อยอดจากความเชี่ยวชาญอันมั่งคั่งจากกลุ่มวิจัยเรื่อง Soft Matter และ Wetting ในหัวข้อพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำเป็นพิเศษ ไม่ค่อยมีโอกาสที่จะอธิบายรายละเอียดปลีกย่อยของแรงระดับจุลภาคที่เกี่ยวข้องกับพลวัตของการทำให้เปียกได้ครบถ้วน แต่บทความนี้ก็บรรลุผลสำเร็จในเรื่องนี้" Ras กล่าว

เทคนิคพิเศษ

Backholm ได้ปรับเทคนิคการวัดไมโครปิเปตอันเป็นเอกลักษณ์เพื่อวัดแรงที่กระทำต่อหยดน้ำ เธอเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านเซ็นเซอร์แรงไมโครปิเปตเหล่านี้ โดยเคยใช้เซ็นเซอร์เหล่านี้เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงการเจริญเติบโตของรากพืช พฤติกรรมการว่ายน้ำของฝูงกุ้ง mesoscopic และตอนนี้ในการสังเกตแรงในการเคลื่อนตัวของหยดน้ำ

ด้วยการปรับแต่งอย่างละเอียดอย่างหนัก เธอจึงสามารถใช้เทคนิคนี้เพื่อสร้างความก้าวหน้าในการระบุเอฟเฟกต์การตัดเฉือน แบ็คโฮล์มสั่นหยดและโพรบเพื่อตรวจจับแรงอันละเอียดอ่อนที่ดึงอยู่ข้างใต้

“เรายังตัดความเป็นไปได้ที่จะมีแรงอื่นๆ เข้ามามีบทบาทที่จุดสัมผัสด้วยการทำการทดสอบเดียวกันนี้กับหยดคาร์บอเนต หยดน้ำเหล่านั้นปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาอย่างต่อเนื่อง ทำให้ลอยอยู่เหนือพื้นผิวที่พวกมันนั่งอยู่เล็กน้อย ถึงกระนั้น ผลกระทบจากแรงเฉือนก็ถูกวัดที่ความเร็วที่แน่นอน ซึ่งท้ายที่สุดแล้วเป็นการยืนยันว่าแรงนี้กระทำโดยไม่ขึ้นอยู่กับการสัมผัสกับพื้นผิวซิลิกอนสีดำ” Backholm กล่าว

Backholm คาดว่าการค้นพบนี้จะช่วยให้นักฟิสิกส์และวิศวกรสามารถพัฒนาพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำและมีประสิทธิภาพดีขึ้นได้