Определяет ли скорость падения капли, прилипнет она к поверхности?

Новости МирТесен

Влияние характеристик поверхности на степень смачивания оказалось незначительным по сравнению со скоростью падения жидкости. Даже микроскопические капли могли удерживаться на поверхности тефлона.

В зависимости от того, прилипнет капля жидкости к водоотталкивающей поверхности или отскочит, ранее считалось, что это определяется двумя факторами: уровнем гидрофобности поверхности и способом, которым капля распределяет энергию при столкновении.

Гидрофобность – это характеристика молекул, выражающая их нежелание взаимодействовать с водой. Создать гидрофобную поверхность можно, используя как гладкие слои химических соединений, так и наноструктуры. 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, ключевым определяющим фактором оказалось не свойства жидкости и поверхности, а скорость ее падения. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Возникновение отскокивающих капель жидкости наблюдается только при определенных значениях скорости», — заявил Джейми Маклоклан ( Jamie McLauchlan), первый автор исследования и аспирант Университета Бата (Великобритания). В соответствии с общепринятой практикой, ученые при определении характеристик стремятся найти оптимальный баланс 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.

Не менее важен и 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.

Чтобы понять, как протекают физические процессы, ученые применяли высокоскоростные камеры для фиксации капель диаметром 30-50 микрометров, которые сталкиваются с водоотталкивающими поверхностями со скоростью до 10 метров в секунду. Для съемки использовали камеру, способную записывать 100 000 кадров в секунду. На основе полученных снимков исследователи определяли размер, скорость и прочие 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 чернил на поверхности, отталкивающие воду. В сельском хозяйстве этот принцип помогает в поиске способов удержания пестицидов на листьях растений. Несмотря на то, что скорость падения капли играет важную роль, исследователи полагают, что создание гидрофобных поверхностей, эффективно защищающих от влаги, остается актуальной задачей и требует дальнейшего развития.