Казалось бы, что-то столь простое, как движение капель воды по поверхности, действительно должно быть давно понятно. На самом деле до сих пор остается множество нерешенных вопросов о силах, действующих на скользящую каплю. Группа ученых из Института исследований полимеров имени Макса Планка в сотрудничестве с коллегами из Технического университета Дармштадта обнаружила: помимо поверхностной энергии и вязкого трения внутри капли значительную роль также играет электростатика.
Капли дождя бьют в окно автомобиля, и ветер отбрасывает капли в сторону. Даже сегодня никто не сможет точно предсказать, как капли движутся по лобовому стеклу.
Однако такое понимание важно во многих областях, таких как автономное вождение: например, камеры, установленные в лобовом стекле, должны следить за дорогой и дорожной обстановкой — для этого поверхность лобового стекла должна быть спроектирована должным образом.
В идеале капли полностью сдуваются воздушным потоком, а обзор остается четким даже под дождем. Другими примерами с обратным знаком являются приложения, в которых капли должны наоборот прилипать к поверхностям, например аэрозольная краска или пестициды.
«До сих пор предполагалось, что поверхностное покрытие отвечает за то, как капля движется по поверхности, то есть за первые несколько молекулярных слоев», — говорит профессор Ханс-Юрген Батт, автор исследования.
Например, от поверхности зависит, будет ли формироваться капля сферической или плоской формы. Если капле «нравится» поверхность, она прижимается к ней, чтобы обеспечить как можно больший контакт.
Если капле «не нравится» поверхность, как в случае с известным эффектом лотоса, она сворачивается. Было также ясно, что при движении капли возникает вязкое трение, т.е. трение между отдельными молекулами воды — происходит внутри капли, что также влияет на ее движение.
Электростатика вызывает разницу в скорости
Группа исследователей из MPI for Polymer Research обнаружила, что ни капиллярные, ни вязкоупругие силы не могут объяснить различия в скорости, с которой капли движутся по разным поверхностям.
Вопросы вызывал, в частности, тот факт, что капли бегут с разной скоростью по разным подложкам — даже если эти подложки имеют идентичное поверхностное покрытие, где никаких различий ожидать не приходится. Поэтому исследователи впервые представили загадочную «дополнительную силу».
Чтобы отследить это, ученые организовали «гонку капель». Они снимала капли на разных подложках, извлекали из их движения профили скорости и ускорения, рассчитывали силы, которые уже были известны, чтобы рассчитать силу, которую они еще не видели.
Эффект лотоса относится к самоочищающимся свойствам, которые являются результатом ультрагидрофобности, проявляемой листьями Нелумбо, цветка лотоса. Частицы пыли улавливаются каплями воды из — за микро- и наноскопической архитектуры на поверхности, которая минимизирует адгезию капли к этой поверхности. Ультрагидрофобные и самоочищающиеся свойства обнаружены также у других растений, таких как настурция, опунция, алхимилла, тростник, а также на крыльях некоторых насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать.
Поразительный результат: рассчитанная сила согласуется с электростатической силой, которую исследователи впервые описали в модели несколько лет назад.
«Сравнивая экспериментальные результаты с этой численной моделью, мы можем объяснить ранее запутанные траектории капель», — говорит Стефан Вебер, руководитель группы в отделе Батта.
Если ранее нейтральные капли скользят по изолятору, они могут стать электрически заряженными: так что электростатика играет здесь значительную роль. С другой стороны, на электропроводящей подложке капля немедленно отдает свой заряд обратно на подложку.
«Поэтому большое влияние оказывает электростатическая сила, которую никто ранее не учитывал: ее необходимо учитывать для воды, водных электролитов и этиленгликоля на всех испытанных гидрофобных поверхностях», — резюмируют ученые.
Исследовательская группа опубликовала результаты в журнале Nature Physics. Эти результаты улучшат контроль за движением капель во многих приложениях, от печати до микрофлюидики или управления водными ресурсами до выработки электроэнергии с помощью мини-генераторов на основе капель.