Характеристики поверхности оказались менее значимыми для ee намокания, чем скорость падения жидкости. А крошечные капли смогли прикрепиться даже к тефлону.
Когда капля жидкости сталкивается с водоотталкивающей поверхностью, она может прилипнуть или отскочить. До сих пор ученые полагали, что это зависит от двух факторов: степени гидрофобности поверхности и того, как капля рассеивает энергию удара.
Гидрофобность — свойство молекул, заключающееся в отсутствии склонности сцепляться с водой. Гидрофобной поверхность могут сделать как ровные слои химических веществ, так и наноразмерные структуры. 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.
В новом исследовании ученые выяснили, что все это время решающим фактором на самом деле была скорость падения, а не свойства жидкости и поверхности. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Отскок капель жидкости происходит лишь в очень узком скоростном окне», — сообщил Джейми Маклоклан (Jamie McLauchlan), первый автор исследования и аспирант Университета Бата (Великобритания). По традиции золотую середину для каких-либо характеристик ученые обозначают «зоной Златовласки».
Если капля движется слишком медленно или слишком быстро, она прилипает. Отскок возможен только в промежуточном случае, когда импульса достаточно для отрыва от поверхности, но не настолько много, чтобы капля упала обратно.
Размер тоже имеет значение: слишком маленькие 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.
Эксперименты проводили на поверхности тефлона, стекла и покрытого кремниевыми наносферами стекла. Кремниевое покрытие было нанесено из доступного в магазинах средства «антидождь» для боковых зеркал машин. Жидкостями выступали деионизированная вода, раствор глицерина и хлорида кальция.
Для изучения процесса физики использовали высокоскоростные камеры, чтобы запечатлеть капли шириной всего 30-50 микрометров, ударяющиеся о водоотталкивающие поверхности со скоростью до 10 метров в секунду. Съемку производили на камеру, записывающую 100 000 кадров в секунду. По снятым кадрам ученые определяли размер, скорость и другие характеристики 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 «окна Златовласки» для отскока поможет обеспечить надежное нанесение чернил на гидрофобные поверхности, в сельском хозяйстве — найти пути предотвращения соскакивания пестицидов с листьев. Хотя решающее значение скорости падения капли сдвигает парадигму, ученые считают, что разработка гидрофобных поверхностей эффективна в борьбе с влагой и должна продолжаться.