Такое поведение при подъеме по лестнице может быть полезно во всем: от водоподготовки и новых микрожидкостных устройств «лаборатория на кристалле» до инструментов биохимической обработки и медицинской диагностики. Исследователи из Индийского технологического института в Рурки, Индия и Йоркского университета в Торонто, описывают свои выводы на этой неделе в журнале Physics of Fluids от AIP Publishing.
Новое исследование показывает, что для того, чтобы заставить капли подниматься вверх, вам нужна лестница, поверхность которой легче прилипает к каждой капле с каждым шагом.
Поверхность, на которую легко прилипает капля, имеет так называемую высокую смачиваемость, в результате чего капли растекаются и сглаживаются. Однако на поверхности с низкой смачиваемостью капля останется более сферической, как капли дождя, капающие на водонепроницаемую куртку.
Ранее исследователи использовали градиент увеличения смачиваемости, чтобы капли могли двигаться по плоской поверхности и даже подниматься по склону. Например, капля воды больше притягивается к гидрофильной поверхности из-за ее большей смачиваемости, поэтому наклон с увеличивающейся гидрофильной поверхностью по мере подъема может «тянуть» каплю вверх.
Однако настоящие поверхности никогда не бывают идеально гладкими; в достаточно малых масштабах поверхность в конечном итоге кажется шероховатой. Наклон в этих масштабах на самом деле представляет собой микроскопическую лестницу. «Большинство поверхностей имеют текстуру, и перемещение капли по таким поверхностям требует подъема по лестнице», – сказал Аруп Кумар Дас из IIT Roorkee.
Чтобы изучить, как капля может подниматься по ступенькам – и, таким образом, может ли этот метод работать в более реальных применениях на поверхности – исследователи смоделировали физику капель размером с микролитр на лестницах с градиентом смачиваемости.
Эти капли шире, чем длина каждой ступени, поэтому их передняя сторона находится на более высокой ступеньке с более смачиваемой поверхностью, чем задняя сторона.
Таким образом, передняя часть капли расширяется больше, образуя меньший и более плоский угол с поверхностью.
Разница в углах между передней и задней частью поднимающихся капель вызывает циркуляцию жидкости внутри капли. Когда передний край капли достигает следующей ступени, циркуляция перемещает каплю вперед, переливаясь на следующую более высокую ступень, и процесс повторяется.
Достаточно ли у капли силы для преодоления силы тяжести, зависит от размера капли, крутизны ступенек и различий в смачиваемости. Как правило, более крупная капля лучше подходит для подъема по лестнице, а для более крутых ступеней требуется более высокий градиент смачиваемости.
В настоящее время исследователи работают над экспериментами, чтобы подтвердить результаты моделирования.
Многие другие методы контроля капель зависят от внешних сил, таких как колебания температуры, а также электрические и магнитные поля.
Но, объяснил Дас, эти методы часто бывают сложными и сложными. Новое исследование показывает, что пассивные подходы, такие как смачиваемость, могут быть более эффективными. «Пассивный подход означает, что [мы] можем управлять каплей, чтобы устойчиво подниматься по лестнице без использования внешней силы», – сказал он.