Physiker erklären und beseitigen die unbekannte Kraft, die Wassertröpfchen auf superhydrophoben Oberflächen antreibt

Mikroskopische Abgründe, die ein Meer aus gezackten, konischen Spitzen bilden, prägen die Oberfläche eines Materials namens schwarzes Silizium. Obwohl schwarzes Silizium häufig in der Solarzellentechnologie vorkommt, dient es auch als Werkzeug zur Untersuchung der Physik des Wassertröpfchenverhaltens.

Schwarzes Silizium ist ein superhydrophobes Material, das heißt, es weist Wasser ab. Aufgrund der einzigartigen Oberflächenspannungseigenschaften von Wasser gleiten Tröpfchen über strukturierte Materialien wie schwarzes Silizium, indem sie einen darunter eingeschlossenen dünnen Luftfilmspalt überlappen. Dies funktioniert hervorragend, wenn sich die Tröpfchen langsam bewegen: Sie gleiten und gleiten reibungslos.

Doch wenn sich der Tropfen schneller bewegt, scheint eine unbekannte Kraft an seinem Bauch zu ziehen. Dies hat die Physiker verblüfft, aber ein Forscherteam der Aalto-Universität und des ESPCI Paris hat nun eine Erklärung und die Zahlen, die es untermauern.

Matilda Backholm, Assistenzprofessorin an der Aalto-Universität, ist Erstautorin des Artikels, der diese Ergebnisse detailliert beschreibt und am 15. April im veröffentlicht wurde Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. Sie führte diese Studie als Postdoktorandin in der Gruppe „Soft Matter and Wetting“ von Professor Robin Ras am Fachbereich Angewandte Physik durch.

„Bei der Beobachtung von Wasser-Oberflächen-Wechselwirkungen spielen im Allgemeinen drei Kräfte eine Rolle: Kontaktlinienreibung, Viskositätsverluste und Luftwiderstand. Es gibt jedoch eine vierte Kraft, die aus der Bewegung von Tröpfchen auf sehr rutschigen Oberflächen wie schwarzem Silizium resultiert. Diese Bewegung tatsächlich.“ erzeugt einen Schereffekt auf die darunter eingeschlossene Luft, was zu einer Widerstandskraft auf das Tröpfchen selbst führt. Diese Scherkraft wurde noch nie zuvor erklärt, und wir sind die ersten, die sie identifiziert haben.

Es erweist sich als schwierig, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Fluidphysik und weicher Materie in einfache Formeln zu vereinfachen. Aber Backholm hat es geschafft, eine Technologie zu entwickeln, um diese winzigen Kräfte zu messen, zu erklären, wie sie funktionieren, und letztendlich die Lösung zur vollständigen Eliminierung der Widerstandskraft bereitzustellen.

Luftschereffekt

Die Schaffung besserer superhydrophober Oberflächen würde die Transportsysteme der Welt aerodynamischer und medizinische Geräte steriler machen und allgemein die Rutschfestigkeit von allem verbessern, was eine wasserabweisende Oberfläche erfordert.

Schwarzes Silizium nutzt die spezifische Oberflächenspannung von Wasser, um den Kontakt zwischen Tropfen und Oberfläche zu minimieren. In den Untergrund geätzte Zapfen bewirken, dass Wassertröpfchen über einen Luftfilmspalt, ein sogenanntes Plastron, gleiten. Aber entgegen der Intuition führt genau der Mechanismus, der es hydrophoben Oberflächen ermöglicht, Wassertropfen abzulenken, auch zu dem in Backholms Artikel beschriebenen Schereffekt.

„Das Feld machte diese Oberflächen extrem rutschig, indem es die Länge der Kegel reduzierte, um sie kleiner und zahlreicher zu machen. Aber niemand blieb stehen, um zu bemerken: ‚Hey, wir arbeiten hier tatsächlich gegen uns selbst.‘ Tatsächlich führt das Ätzen kürzerer Kegel auf die schwarze Siliziumoberfläche zu einem größeren Luftschereffekt“, sagt Backholm.

Andere Forscher haben die Existenz dieser Kraft festgestellt, konnten sie jedoch nicht erklären. Die Ergebnisse von Backholm führen zu einer Neuüberlegung der Gestaltung ultrarutschiger Oberflächen. Der Workaround seines Teams bestand darin, höhere Kegel mit strukturierten Kappen auf der schwarzen Siliziumoberfläche anzubringen, um die Gesamtkontaktfläche der Tröpfchen weiter zu minimieren.

„Diese Arbeit stützt sich auf das umfangreiche Fachwissen der Forschungsgruppe „Soft Matter and Wetting“ zum Thema superhydrophobe Oberflächen. Die Gelegenheit bietet sich selten, die Feinheiten der mikroskopischen Kräfte, die an der Benetzungsdynamik beteiligt sind, vollständig zu erklären, aber dieser Artikel erreicht dies“, Ras sagte.

Spezialisierte Technik

Backholm hat eine einzigartige Mikropipetten-Messtechnik angepasst, um die Kräfte zu bewerten, die auf Wassertropfen wirken. Sie ist eine Expertin für diese Mikropipetten-Kraftsensoren. Sie hat damit die Wachstumsdynamik von Pflanzenwurzeln und das Schwimmverhalten mesoskopischer Garnelenschwärme gemessen und nun die Kräfte beobachtet, die auf sich bewegende Wassertropfen ausgeübt werden.

Durch sorgfältige Abstimmung konnte sie mit dieser Technik einen Durchbruch bei der Identifizierung des Schereffekts erzielen. Backholm ließ das Tröpfchen und die Sonde oszillieren, um die subtilen Kräfte zu erkennen, die darunter ziehen.

„Wir haben auch die Möglichkeit ausgeschlossen, dass an der Kontaktlinie andere Kräfte eine Rolle spielen, indem wir dieselben Tests an Karbonattröpfchen durchgeführt haben. Diese Tröpfchen geben ständig Kohlendioxid ab und lassen sie leicht über den Oberflächen schweben, auf denen sie sich befinden. „Trotzdem ist die Scherung Der Effekt wurde bei bestimmten Geschwindigkeiten gemessen und bestätigte letztendlich, dass diese Kraft unabhängig von ihrem Kontakt mit der schwarzen Siliziumoberfläche wirkt“, sagt Backholm.

Backholm hofft, dass diese Erkenntnisse es Physikern und Ingenieuren ermöglichen werden, hydrophobe Oberflächen mit besserer Leistung zu entwickeln.