Odkrycie sekretów poruszających się kropli

W jaki sposób krople wody przemieszczają się po różnych powierzchniach? Może się wydawać, że to proste zagadnienie, jednak w istocie naukowcy wciąż nie do końca rozumieją siły, które na nie działają. Ostatnie próby wytworzenia energii elektrycznej z poruszających się kropli sprawiły, że wypełnienie tej luki w wiedzy stało się jeszcze bardziej istotne.

Badania wspierane częściowo przez finansowany przez Unię Europejską projekt DynaMo ujawniły, że na ruch kropli nie wpływa jedynie energia powierzchniowa i tarcie lepkie, czyli tarcie pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami wody w kropli, jak wcześniej sądzono. Wygląda na to, że kluczową rolę odgrywa również elektrostatyka. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie „Nature Physics”.

„Do tej pory zakładano, że powłoka powierzchniowa jest odpowiedzialna za to, jak kropla porusza się po powierzchni, czyli po kilku pierwszych warstwach molekularnych”, wyjaśnia starszy autor badania prof. Hans-Jürgen Butt z Instytutu Maksa Plancka na rzecz Badań nad Polimerami w Niemczech, w artykule zamieszczonym na stronie „Phys.org”. Wiadomo było, że działanie to, wraz z tarciem lepkim zachodzącym wewnątrz kropli wody podczas jej poruszania się, wpływa na ruch kropli.Prosty eksperyment przeprowadzony przez badaczy pokazał jednak, że nie da się precyzyjnie przewidzieć ruchu kropel w oparciu o same te siły. Pierwszym dowodem było to, że zaobserwowali oni różne średnie prędkości na powierzchniach o identycznym składzie chemicznym powierzchni, ale różnych przewodnościach i grubościach podłoża. Stwierdzono, że krople wody poruszają się szybciej na powierzchniach złota pokrytych monowarstwą perfluorodekanetiolu lub foliami teflonowymi niż na powierzchniach dwutlenku krzemu (SiO2) pokrytych perfluorooktadecylotrichlorosilanem (PFOTS).Drugim dowodem było to, że prędkości ślizgania się serii kropli na danej powierzchni stają się zależne od liczby kropli, a więc od historii powierzchni. Na przykład, 50. kropla ślizga się szybciej po płytce SiO2 pokrytej PFOTS niż pierwsza kropla.

Czym więc może być ta nieodkryta siła? „Filmowałam krople na różnych podłożach, wyodrębniałam profile prędkości i przyspieszenia z ich ruchu i obliczałam siły, które były już znane, aby obliczyć siłę, której jeszcze nie odkryliśmy”, stwierdza pierwsza autorka badania Xiaomei Li, doktorantka w Instytucie Maksa Plancka na rzecz Badań nad Polimerami.

Na podstawie swoich obserwacji zespół doszedł do wniosku, że brakującą siłą musi być elektrostatyka. Obliczona siła pokrywa się z siłą elektrostatyczną, którą opisali we wcześniejszym modelu. „Porównując wyniki eksperymentalne z tym modelem numerycznym, możemy wyjaśnić wcześniej mylone trajektorie kropel”, zauważa prof. Stefan Weber z tego samego instytutu.

Kiedy pierwotnie neutralne krople ślizgają się po izolatorze, mogą stać się naładowane elektrycznie, ale na podłożu przewodzącym prąd elektryczny kropla wody natychmiast uwalnia swój ładunek z powrotem do podłoża. „Siła elektrostatyczna, której nikt wcześniej nie brał w tym kontekście pod uwagę, ma więc duży wpływ: musi być uwzględniona w przypadku wody, wodnych elektrolitów i glikolu etylenowego na wszystkich badanych powierzchniach hydrofobowych”, podsumowuje prof. Weber.

Wyniki badań wspieranych przez projekt DynaMo (Dynamic charging at moving contact lines) mogą pomóc w usprawnieniu kontroli ruchu kropel w szerokim zakresie zastosowań, takich jak drukowanie, mikrofluidyka, zarządzanie wodą i nanogeneratory tryboelektryczne.

Więcej informacji można znaleźć na stronie:

projekt DynaMo