Klouzavá voda | Věda a život

Experimentálně byla testována teorie superhydrofobního vodního skluzu.

Každý pravděpodobně alespoň jednou viděl kapky rosy na okvětních lístcích a listech rostlin a přemýšlel: proč se voda nešíří, ale „sedí“ jako kapka? To je způsobeno tím, že povrch listů a okvětních lístků je hydrofobní, to znamená, že odpuzuje vodu.

Na listech rostlin se voda tvoří díky hydrofobním vlastnostem voskové kutikuly, která pokrývá jejich povrch. (Foto: Staffan Enbom / Flickr.com.)

Některé běžné tkaniny mají také hydrofobní vlastnosti. (Photo grafvision / http://ru.depositphotos.com.)

Mikrokulička připojená k mikroskopické sondě atomární síly se pohybuje směrem k superhydrofobnímu povrchu. (Ilustrace: Taras Molotilin / Moskevská státní univerzita.)

Stupeň hydrofobnosti je určen kontaktním úhlem mezi povrchem a kapkou a při hodnotě větší než 150° je povrch považován za superhydrofobní. Takové povrchy se nacházejí v přírodě: například lotosový list nebo křídla některých druhů hmyzu. Super-hybrofobní vlastnosti chrání povrch před korozí, znečištěním, námrazou atd.

Moderní technologie umožňují udělat povrch superhydrofobní pomocí speciálního nátěru nebo povrchového reliéfu, ale musíme pochopit, jak se kapalina chová při kontaktu s ní. Tatyana Nizkaya, Olga Vinogradova a jejich kolegové z Moskevské státní univerzity vyvinuli semianalytickou teorii, která popisuje chování kapaliny v blízkosti superhydrofobního povrchu, a experimentálně ji testovali.

Povrchy obvykle „přitahují“ kapalinu díky elektrostatické přitažlivosti mezi molekulami, nazývané van der Waalsova síla. Závisí jak na chemickém složení a topografii povrchu, tak i na složení kapaliny a její viskozitě, díky čemuž se rychlost proudění kapaliny po povrchu může značně lišit od rychlosti proudění ve středu proudění.

V blízkosti superhydrofobních povrchů má proudění kapaliny neobvyklou vlastnost: jeho rychlost není nulová ani ve vrstvě přímo přiléhající ke stěně, to znamená, že kapalina není přitahována, ale klouže po povrchu. Tento jev se nazývá hydrodynamický skluz. Byl popsán asi před dvěma sty lety, ale od té doby o něj byl malý zájem, protože hydrodynamické klouzání v praxi neovlivňuje celkové proudění tekutiny.

Situace se výrazně změnila s příchodem superhydrofobních materiálů, které kombinují chemickou povrchovou hydrofobnost s vhodnou topografií, jako jsou tenké drážky nebo mikrokolony. Voda „klouže“ po vzduchových polštářích, které se tvoří v drážkách, prakticky bez odporu a nemůže se „lepit“ na stěny. To výrazně zvyšuje takzvanou klouzavou délku – hlavní charakteristiku „přilnutí“ vody k povrchu.

Nové teorie vyvinuté pro kapaliny v blízkosti superhydrofobních povrchů umožňují předpovídat nejen klouzání, ale i další formy neobvyklého chování v blízkosti anizotropních povrchů s reliéfem nasměrovaným určitým směrem. A zde se setkáváme s efekty, které jsou v praktickém smyslu docela zajímavé. Například u stěny pokryté podlouhlými drážkami, které směřují pod úhlem k hlavnímu proudu, se kapalina aktivně míchá, protože mění směr proudění. Dalším možným efektem je separace částic suspendovaných v kapalině podle velikosti.

K měření délky klouzání kapaliny po nestejnoměrném superhydrofobním povrchu použili fyzici mikroskop atomárních sil (o tom, jak to funguje, jsme již mluvili). Navíc byli schopni ověřit správnost teorie, která popisuje chování kapaliny v různých vzdálenostech od takového povrchu. V experimentu mikroskopická sonda spustila sférickou mikročástici na superhydrofobní povrch ponořený do kapaliny a rychlost ponoření zůstala konstantní. Zároveň bylo možné s vysokou přesností jak sledovat polohu mikrokuličky v drážce, tak měřit sílu působící na ni z kapaliny. Porovnání teoretického popisu a experimentální závislosti hydrodynamické síly na vzdálenosti k superhydrofobnímu povrchu umožnilo přesně změřit skluzovou délku.

Přečtěte si více

WEB GARDEN - Archiv fóra - Echinacea-2014

Jejich výsledky se podle autorů stanou východiskem pro vývoj nových superhydrofobních systémů. Nyní, když se lze spolehnout na teorii, si fyzici mohou hrát s dříve navrženými teoretickými myšlenkami týkajícími se distribuce částic v superhydrofobních kanálech, elektroosmotických proudových systémech atd. Výsledky výzkumu jsou publikovány v časopise Soft Matter.

Autor: Anya Grushina