Как капельки сходятся на скользкой природе

Jun 03, 2023

Поверхность, которая полностью отталкивает жидкости, такие как вода, кровь или масло, является давней задачей в области инженерии и материаловедения. Такой материал пригоден для широкого спектра применений: от сбора воды до пищевой промышленности и биомедицинских технологий. Несмотря на то, что исследователи добились прогресса в разработке материалов с такими возможностями, остается неясным, как именно жидкости ведут себя на таких поверхностях. В недавней статье в журнале Nature Communications исследователи впервые описывают, как капли воды сливаются на поверхности пропитанной нефтью поверхности.

Более десяти лет назад исследовательские группы в США и Франции независимо друг от друга предложили новый подход к созданию поверхности, отталкивающей жидкость, вдохновленный механизмом, обнаруженным в природе. Их идея заключалась в том, чтобы добавить микроскопические структуры на поверхность подложки и покрыть все это маслом. Пористая текстура удерживает масло на месте за счет капиллярных сил, а капли воды или других жидкостей могут соскальзывать с бездефектной поверхности, не прилипая. «Сообщается, что они обладают множеством очень многообещающих свойств», — говорит Хаобо Сюй, ныне аспирант кафедры материаловедения Корнелльского университета и первый автор исследования. Но в то же время, по его словам, физика поведения капель на этих скользких поверхностях досконально не изучена. Недавняя статья исследователей из Мичиганского университета в Анн-Арборе и Университета штата Огайо в Колумбусе объясняет, как именно сходятся капли. Они обнаружили, что когда капли образуются близко друг к другу, но не совсем соприкасаются, между ними образуется смачивающий выступ из масла. Этот выступ облегчает притяжение капель, сближая их для слияния.

«Наша работа показывает, как две капли сливаются», — говорит Имин Чжоу, аспирант Мичиганской лаборатории переноса энергии (ETL), которой руководит инженер-механик Соломон Адера. Примечательно, по ее словам, группа обнаружила, что капли соединяются быстрее на покрытой маслом искусственной поверхности, чем на других гидрофобных материалах. «Смазанная поверхность может повысить скорость конденсации», — добавляет Чжоу.

Это свойство, по ее словам, делает материал привлекательным кандидатом для применений, связанных с сбором конденсата или воды. Например, на паровой электростанции кипящая вода производит пар, который вращает турбину, вырабатывающую электричество. Пар собирается, конденсируется и возвращается в жидкость. По ее словам, если бы в конденсаторе использовался новый материал, установка могла бы быстрее собирать использованную воду, что, возможно, сделало бы систему более эффективной. Этот материал также может быть использован в устройствах, собирающих воду из воздуха, «особенно в засушливых районах с небольшим количеством питьевой воды», — говорит Чжоу. Материалы, пропитанные маслом, также будут полезны при переработке и хранении пищевых продуктов, поскольку они предотвращают прилипание материалов, в том числе микробов, к стенкам контейнера.

Первые пропитанные маслом поверхности появились в статье французского физика Давида Кере в 2005 году. В 2011 году группа из Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета разработала материал, вдохновленный тем, как плотоядные кувшинчатые растения ловят свою добычу. Растение выделяет скользкую субстанцию, которая покрывает ловушку, и незадачливое насекомое скользит в пищеварительный сок на дне кувшина. Они назвали свой дизайн SLIPS, что означает скользкие пористые поверхности, наполненные жидкостью. Другая группа описала свою конструкцию, в которой аналогичным образом использовались крошечные полости на поверхности для улавливания нефти. В обоих случаях капли легко соскользнули, не зацепившись.

Патрисия Вайзензее, инженер-механик Вашингтонского университета в Сент-Луисе, возглавляет исследовательскую группу по термическим жидкостям, которая изучает эти материалы. Ее группа и другие показали, как капли могут скользить по поверхности, пропитанной нефтью. «Во время конденсации даже микроскопические капли притягиваются друг к другу и создают очень сильное движение на поверхности», — объясняет она.

Исследователи из Мичигана хотели узнать больше об этом процессе, поэтому они создали свой материал, сначала изготовив на подложке массив крошечных кремниевых столбиков — каждый диаметром менее 10 микрометров и высотой менее 30 микрометров. Они покрыли поверхность тонким слоем силиконового масла. Затем они поместили две капли диаметром около миллиметра каждая на расстоянии около 2,8 миллиметра друг от друга и начали снимать. Исследователи заметили, что масло образовывало смачивающий выступ вокруг каждой капли в точке контакта, а между двумя каплями смачивающий выступ поднимался выше.