Фізики досліджували ковзання крапель води по похилих гідрофобних поверхнях з різних матеріалів. Вони експериментально і теоретично довели, що на рух крапель може істотно впливати неврахована раніше електростатична взаємодія між зарядами в краплині і підкладці. Дослідження опубліковано в.
Рух крапель по поверхні - це буденний процес, що супроводжує практично все, що пов'язано з водою. Проте цей рух підпорядковується складному балансу різноманітних фізичних сил. Його розуміння було б корисним для різного спектру прикладних завдань. Наприклад, інженери вже навчилися створювати поверхні, які ефективно відштовхують воду або жири. Для нанесення різних покриттів або облоги інсектицидів і гербіцидів, навпаки, потрібен високий опір крапель руху.
Однак найбільш вимогливою до хорошої теорії виявилася технологія генерації електрики за рахунок дощових крапель. Це пряма форма збору гідроелектричної енергії без використання рухомих частин. Передбачається, що її можна буде застосовувати для малопотужного навантаження у віддалених та автономних районах або в аварійних генераторах. Але погане розуміння фізики рухомих крапель поки обмежує ефективність такого джерела електроенергії.
Група фізиків з Німеччини та Китаю під керівництвом Ханса-Юргена Бутта (Hans-Jürgen Butt) з Інституту полімерів Товариства Макса Планка спробувала краще розібратися в процесах руху крапель по поверхні. Провівши велику теоретичну та експериментальну роботу, вони з'ясували, що обліку лише в'язкої дисипації та динамічної контактної активації недостатньо для пояснення спостережуваних закономірностей. Вчені виявили, що на рух крапель на підкладках з низькою діелектричною проникністю істотний вплив роблять електростатичні сили.
В'язка дисипація, тобто розсіювання енергії, відбувається через наявність гідродинамічних потоків всередині краплі. Баланс цих потоків і сил злегка нахиляє краплю, через що дія капілярних сил починає залежати від її швидкості. Активацією ж називають процеси, під час яких лінія контакту краплі з поверхнею повинна долати локальні енергетичні бар'єри. Через них рух повільної краплі має уривчастий характер.
Автори провели серію експериментів, під час яких скочували краплі води різними похилими поверхнями. Вони виявили, що на поверхнях з однаковим хімічним складом, але різною провідністю і товщиною, краплі мають різну швидкість. Крім того, швидкість ковзання краплі виявилася залежною від того, яка вона за рахунком в серії скочувань. Іншими словами, важливу роль тут відіграє історія поверхні. Така поведінка могла б бути пояснена взаємодією різноіменних зарядів, що виникають в краплі і на поверхні, де вона пройшла.
Щоб перевірити цю гіпотезу, фізики виготовили підкладки з матеріалів з різною діелектричною проникністю (кремній і діоксид кремнію) і різної товщини (кілька нанометрів або кілька міліметрів) і покрили їх гідрофобними матеріалами, зокрема, перфтороктадецилтрихлорсиланом (PFOTS), а зворотний бік заземлили. Так, швидкість крапель на підкладці з двонанометрового шару кремнію, покритого PFOTS, була однаковою вздовж всієї траєкторії скочування для всіх крапель серії. Коли таке ж покриття нанесли на міліметрові платівки діоксиду кремнію, залежність швидкості крапель від пройденої відстані і від номера в серії стала складною.
Припускаючи, що обидва випадки відрізняються лише електростатичними властивостями поверхні, фізики витягли з порівняння цих експериментів величину додаткової сили. Виявилося, що, якщо для найперших крапель ця сила падає з відстанню, то для наступних крапель тренд змінюється на протилежний: сила мала на початку шляху і зростає ближче до кінця. Спираючись на пояснення, засноване на вільних зарядах, автори побудували теоретичну модель, де невідомими параметрами були функції розподілу заряду в підкладці від відстані. Для їх визначення фізики додатково вимірювали заряди крапель у міру руху по підкладках.
Отримана з моделювання залежність сили від відстані для різних крапель опинилася в якісній згоді з результатом експерименту. Інші невідповідності могли б бути пояснені наявністю додаткового негативного заряду, який виникає при падінні краплі на похилу підкладку на початку досвіду.
Автори повторили експеримент для інших комбінацій матеріалів. Так, в якості підкладки вони використовували золото, а в якості покриттів полістирол, тефлон, полідіметилсілоксан і перфтордекантиол. У ряді випадків залежність сили від відстані і порядку краплі виявлялася складнішою і вимагала більш детального теоретичного аналізу. Фізики зазначають, що електростатика могла б також пояснити те, чому краплі води по-різному вдаряються і відскакують від різних поверхонь.
Щоб домогтися відтворюваності в проведених експериментах, автори переконувалися, що властивості їхніх підкладок не змінюються навіть після падіння на них тисячі крапель. І все ж, якби крапель було істотно більше, поверхня рано чи пізно почала б руйнуватися. Нещодавно ми розповідали про дослідження, яке розібралося в найтоншій механіці цього процесу.