Но это намного сложнее, чем это, как сообщает группа исследователей из Городского университета Гонконга, Университета Ариэля в Израиле и Даляньского технологического университета в Китае в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing.
«Во время фазы распространения капля подвергается инерционному ускорению и принимает форму« блина », – пояснил Зуанкай Ван, доцент кафедры механической и биомедицинской инженерии Городского университета Гонконга. "И во время фазы втягивания капля минимизирует свою поверхностную энергию и оттягивается внутрь."
Примечательно, что по золотому стандарту супергидрофобный – a.k.а. репеллент – поверхности, такие как листья лотоса, капли отскакивают в конце стадии втягивания из-за минимального рассеивания энергии во время процесса удара.
Это связано с наличием воздушной подушки на шероховатой поверхности.
Однако существует классический предел времени контакта между каплями и супергидрофобными материалами золотого стандарта, вдохновленными листьями лотоса.
Как команда ранее сообщала в журнале Nature Physics, можно сформировать каплю, чтобы она отскакивала от поверхности в форме блина непосредственно в конце стадии распространения, не проходя через процесс удаления.
В результате капля удаляется намного быстрее.
«Интересно, что время контакта остается постоянным в широком диапазоне скоростей удара», – сказал Ван. «Другими словами: сокращение времени контакта очень эффективно и надежно, поэтому новая поверхность ведет себя как упругая пружина. Но настоящая магия заключается в самой текстуре поверхности."
Традиционно считается, что для предотвращения обрушения воздушной подушки или проникновения воды на поверхность следует использовать наноразмерные стойки с небольшими расстояниями между стойками. «Чем меньше расстояние между стойками, тем большую скорость удара может выдержать небольшая стойка», – пояснил он. «Напротив, создание поверхности с макроструктурами – конусными субмиллиметровыми стойками с широким интервалом – означает, что капля будет падать с нее намного быстрее, чем любые ранее разработанные материалы."
Что показывают новые результаты
Несмотря на впечатляющий прогресс, рациональное управление временем контакта и количественное прогнозирование критического числа Вебера – числа, используемого в гидромеханике для описания соотношения между деформирующими силами инерции и стабилизирующими силами сцепления для жидкостей, протекающих через текучую среду, – для возникновения блина. подпрыгивание оставалось неуловимым.
Таким образом, команда экспериментально продемонстрировала, что отскок капли сильно зависит от морфологии поверхности. «При одинаковом межцентровом расстоянии между стойками поверхности с большим углом при вершине могут привести к большему отскоку блинчика, который характеризуется значительным сокращением времени контакта, меньшим критическим числом Вебера и более широким диапазоном чисел Вебера», – говорится в сообщении. соавторам Джину Уайману и Эдварду Бормашенко, профессорам Университета Ариэль.
Ван и его коллеги разработали простые модели гармонической пружины, чтобы теоретически выявить зависимость временных шкал, связанных с падающей каплей, и критическим числом Вебера для отскока блинов от морфологии поверхности. «Идеи, полученные в результате этой работы, позволят нам рационально спроектировать различные поверхности для многих практических применений», – добавил он.
Новые поверхности команды отличаются сокращенным временем контакта, что предотвращает или замедляет образование льда. «Образование льда и его последующее нарастание препятствуют работе современной инфраструктуры, включая самолеты, морские нефтяные платформы, системы кондиционирования воздуха, ветряные турбины, линии электропередач и телекоммуникационное оборудование», – сказал Ван.
При переохлаждении, что включает в себя снижение температуры жидкости или газа ниже точки замерзания без его затвердевания, чем дольше капля остается в контакте с поверхностью, прежде чем отскочить от нее, тем больше шансов, что она замерзнет на месте. «Наша новая структура поверхности может использоваться для предотвращения обледенения крыльев и двигателей самолетов», – сказал он.
Это очень желательно, потому что очень легкий слой снега или льда – достаточно легкий, чтобы быть едва заметным – как известно, снижает летно-технические характеристики самолетов и даже вызывает аварии. Одна такая катастрофа произошла в 2009 году и привлекла внимание к опасности обледенения в полете после того, как рейс 447 авиакомпании Air France, выполнявший рейс из Рио-де-Жанейро в Париж, упал в Атлантический океан.
Помимо защиты от обледенения для самолетов, «лопатки турбин на электростанциях и ветряных электростанциях также могут получить выгоду от защиты от обледенения за счет повышения эффективности», – добавил он.
Как вы можете себе представить, этот тип поверхности, вдохновленной природой, демонстрирует потенциал для огромного количества других применений – от отделения воды и масла до предотвращения передачи заболеваний.
Следующий шаг для команды? «Разработать биоинспирированные« активные »материалы, которые адаптируются к окружающей среде и способны к самовосстановлению», – сказал Ван.