Влияние свойств поверхности на степень смачивания оказалось не столь существенным для ee, как скорость стекания жидкости. Даже микроскопические капли способны удерживаться на тефлоне.
В зависимости от того, прилипнет капля жидкости к поверхности или отскочит от неё, это может происходить при столкновении с водоотталкивающей поверхностью. Ранее специалисты считали, что это определяется двумя параметрами: уровнем гидрофобности поверхности и способом, которым капля распределяет энергию удара.
Гидрофобность – это характеристика молекул, выражающая их нежелание взаимодействовать с водой. Создать гидрофобную поверхность можно с помощью как плоских слоев химических соединений, так и с помощью наноструктур. Лист лотоса защищается от воды пирамидками, утки — жиром на перьях, плоды сливы и яблока — воском. На основании этих знаний люди создают покрытия для машин, обуви, крыльев самолетов и разнообразных стекол. Они работают, хоть и требуют регулярного обновления.
Согласно недавнему исследованию, ученые установили, что определяющим фактором оказывается скорость падения, а не характеристики жидкости и поверхности. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Процесс отскакивания капель жидкости наблюдается только при определенных значениях скорости», — заявил Джейми Маклоклан ( Jamie McLauchlan), первым автором исследования и аспирантом выступил сотрудник Университета Бата (Великобритания). В научных работах при определении каких-либо характеристик исследователи обычно обозначают «зоной Златовласки».
Когда капля перемещается с недостаточной или избыточной скоростью, она прилипает к поверхности. Отскок происходит лишь при средней скорости, достаточной для отрыва капли, но не приводящей к её обратному падению.
Важен также размер: слишком малые капли не могут отскочить независимо от их скорости. Новое исследование показало, что вязкость жидкости создает фундаментальный нижний предел размера, не позволяя самым крошечным каплям когда-либо отскакивать. Для тефлона это диаметр 25 микрометров.
Исследования осуществлялись на тефлоне, стекле и стекле, покрытом кремниевыми наносферами. Кремниевый слой был создан с использованием средства «антидождь» для автомобильных зеркал, которое можно приобрести в продаже. В качестве жидкостей применяли деионизированную воду, раствор глицерина и хлорид кальция.
Для исследования физических процессов применяли высокоскоростные камеры, чтобы зафиксировать капли размером 30–50 микрометров, сталкивающиеся с водоотталкивающими поверхностями со скоростью до 10 метров в секунду. Использовалась камера, способная записывать 100 000 кадров в секунду. На основе полученных снимков исследователи определяли размер, скорость и другие параметры капель.
Физики также разработали простую пружинную модель для объяснения поведения жидкости. Она учитывает адгезию поверхности, вязкость жидкости, поверхностное натяжение и скорость (инерцию). Ученые выяснили, что на идеально водоотталкивающих поверхностях капли могут отскакивать при любой скорости. Но на реальных поверхностях отскок происходит только тогда, когда все эти силы находятся в тонком балансе.
В полиграфии знание принципа «окна Златовласки», связанного с отскоком, позволяет добиться качественного нанесения краски на гидрофобные материалы. В сельском хозяйстве это знание может помочь в разработке методов, препятствующих смыванию пестицидов с листвы. Несмотря на то, что скорость падения капли играет важную роль, специалисты полагают, что создание гидрофобных поверхностей – действенный способ защиты от влаги, и исследования в этой области должны продолжаться.