Các vực thẳm cực nhỏ tạo thành một biển các đỉnh lởm chởm hình nón làm nổi bật bề mặt của một vật liệu gọi là silicon đen. Mặc dù thường được tìm thấy trong công nghệ pin mặt trời, silicon đen cũng có tác dụng như một công cụ để nghiên cứu tính chất vật lý về cách hoạt động của các giọt nước.
Silicon đen là vật liệu siêu kỵ nước, nghĩa là nó đẩy nước. Do đặc tính sức căng bề mặt độc đáo của nước, các giọt nước lướt qua các vật liệu có kết cấu như silicon đen bằng cách di chuyển trên một khe hở màng không khí mỏng bị mắc kẹt bên dưới. Điều này hoạt động hiệu quả khi các giọt nước di chuyển chậm—chúng trượt và trượt mà không gặp trở ngại nào.
Nhưng khi giọt nước di chuyển nhanh hơn, một lực không xác định nào đó dường như đang kéo mạnh vào bụng nó. Điều này đã khiến các nhà vật lý bối rối, nhưng giờ đây một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Aalto và ESPCI Paris đã có lời giải thích và họ đã có những con số để chứng minh cho điều đó.
Trợ lý Giáo sư Matilda Backholm của Đại học Aalto là tác giả đầu tiên của bài báo trình bày chi tiết những phát hiện này, được xuất bản vào ngày 15 tháng XNUMX trên tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Cô đã thực hiện điều này trong thời gian làm nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm Vật chất mềm và Làm ướt của Giáo sư Robin Ras tại Khoa Vật lý Ứng dụng.
“Khi quan sát sự tương tác giữa nước và mặt nước, thường có ba lực tác động: ma sát của đường tiếp xúc, tổn thất nhớt và lực cản của không khí. Tuy nhiên, còn có một lực thứ tư phát sinh từ sự chuyển động của các giọt nước trên bề mặt có độ trơn cao như silicon đen. Chuyển động này thực sự tạo ra hiệu ứng cắt đối với không khí bị mắc kẹt bên dưới, tạo ra một lực giống như lực kéo lên chính giọt nước. Lực cắt này chưa bao giờ được giải thích trước đây, và chúng tôi là những người đầu tiên nhận ra nó,” Backholm nói.
Các tương tác phức tạp của vật lý chất lỏng và vật chất mềm chứng tỏ thách thức để đơn giản hóa thành các công thức cắt và sấy khô. Nhưng Backholm đã thành công trong việc phát triển một công nghệ để đo những lực nhỏ này, giải thích cách thức hoạt động của lực và cuối cùng đưa ra giải pháp loại bỏ hoàn toàn lực cản.
Hiệu ứng cắt không khí
Việc tạo ra các bề mặt siêu kỵ nước tốt hơn sẽ làm cho hệ thống giao thông trên thế giới có tính khí động học cao hơn, các thiết bị y tế trở nên vô trùng hơn và nói chung là cải thiện độ trơn của bất kỳ thứ gì cần bề mặt chống thấm chất lỏng.
Silicon đen khai thác sức căng bề mặt riêng của nước để giảm thiểu sự tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt. Các hình nón được khắc trên bề mặt làm cho các giọt nước lướt trên khe hở màng không khí, được gọi là plastron. Nhưng theo một hướng ngược lại, chính cơ chế cho phép các bề mặt kỵ nước làm chệch hướng các giọt nước cũng dẫn đến hiệu ứng cắt được nêu trong bài báo của Backholm.
“Nghiên cứu này đã tạo ra những bề mặt siêu trơn này bằng cách giảm kích thước chiều dài của hình nón để làm cho chúng nhỏ hơn và phong phú hơn. Nhưng không ai dừng lại để nhận ra, 'Này, chúng ta thực sự đang chống lại chính mình ở đây.' Trên thực tế, việc khắc các hình nón ngắn hơn lên bề mặt silicon đen sẽ dẫn đến hiệu ứng cắt không khí lớn hơn,” Backholm nói.
Các nhà nghiên cứu khác đã ghi nhận sự tồn tại của lực này nhưng chưa thể giải thích được. Những phát hiện của Backholm gợi ý việc xem xét lại cách thiết kế các bề mặt siêu trơn. Giải pháp của nhóm cô là thêm các hình nón cao hơn với các nắp có họa tiết lên bề mặt silicon đen để giảm thiểu hơn nữa tổng diện tích bề mặt tiếp xúc của các giọt nước.
“Công trình này được xây dựng dựa trên kiến thức chuyên môn phong phú từ nhóm nghiên cứu Vật chất mềm và Làm ướt về chủ đề bề mặt siêu kỵ nước. Ras nói: Hiếm khi có cơ hội giải thích đầy đủ sự phức tạp của các lực vi mô liên quan đến động lực học làm ướt, nhưng bài báo này đã làm được điều đó.
Kỹ thuật chuyên ngành
Backholm đã áp dụng kỹ thuật đo micropipette độc đáo để đo lực tác động lên các giọt nước. Cô ấy là chuyên gia về các cảm biến lực micropipette này. Cô đã sử dụng chúng để đo động lực phát triển của rễ cây, hành vi bơi lội của đàn tôm siêu nhỏ và bây giờ là quan sát lực chuyển động của các giọt nước.
Trải qua quá trình tinh chỉnh gian khổ, cô đã có thể sử dụng kỹ thuật này để tạo nên bước đột phá trong việc xác định hiệu ứng cắt. Backholm làm dao động giọt nước và đầu dò để phát hiện các lực tinh tế đang kéo bên dưới.
“Chúng tôi cũng đã loại trừ khả năng có bất kỳ lực nào khác tác động lên đường tiếp xúc bằng cách thực hiện các thử nghiệm tương tự này trên các giọt có ga. Những giọt đó liên tục thải ra khí carbon dioxide, khiến chúng bay lên một chút so với bề mặt mà chúng đặt lên. Thậm chí, hiệu ứng cắt vẫn được đo ở những vận tốc nhất định, cuối cùng xác nhận rằng lực này hoạt động độc lập với sự tiếp xúc của nó với bề mặt silicon đen,” Backholm nói.
Backholm hy vọng những phát hiện này sẽ tiếp tục cho phép các nhà vật lý và kỹ sư phát triển các bề mặt kỵ nước với hiệu suất tốt hơn.