Змінна вода, наука і життя
змінна вода
Теорію супергідрофобного ковзання води перевірили експериментом.
Кожен напевно хоч раз бачив крапельки роси на пелюстках і листках рослин, і задавався питанням: чому вода не розтікається, а «сидить» краплею? Це відбувається завдяки тому, що поверхня листя і пелюсток гидрофобна, тобто відштовхує воду.
На листі рослин вода збирається в краплі через гідрофобних властивостей воскоподобние кутикули, що покриває їх поверхню. (Фото Staffan Enbom / Flickr.com.)
Микросфера, прикріплена до зонду атомно-силового мікроскопа, рухається у напрямку до супергідрофобной поверхні. (Ілюстрація: Тарас Молотілін / МГУ.)
Ступінь гідрофобності визначається контактним кутом між поверхнею і краплею, і при значенні більше 150 ° поверхню вважається супергідрофобной. Такі поверхні зустрічаються в природі: наприклад, лист лотоса або крила деяких комах. Супергіброфобние властивості захищають поверхню від корозії, забруднення, заледеніння і т. Д.
Сучасні технології дозволяють зробити поверхню супергідрофобной за допомогою спеціального напилення або рельєфу поверхні, але нам потрібно розуміти, як поводиться рідина при контакті з нею. Тетяна Низька, Ольга Виноградова та їх колеги з МГУ розробили напіваналітичного теорію, яка описує поведінку рідини поблизу супергідрофобной поверхні, і перевірили її експериментально.
Зазвичай поверхні «притягують» рідина за рахунок електростатичного притягання між молекулами, яке називається силою Ван-дер-Ваальса. Воно залежить як від хімічного складу і рельєфу поверхні, так і від складу рідини і її в'язкості, завдяки йому швидкість течії рідини уздовж поверхні може сильно відрізнятися від швидкості течії в центрі потоку.
Поблизу супергідрофобних поверхонь протягом рідини володіє незвичайним властивістю: його швидкість не дорівнює нулю навіть у що безпосередньо примикає до стінки шарі, тобто рідина не притягується, а прослизає уздовж поверхні. Це явище називається гідродинамічним ковзанням. Його описали близько двохсот років тому, проте з тих пір їм мало цікавилися, оскільки гідродинамічний ковзання на практиці не впливало на загальний потік рідини.
Ситуація значно змінилася з появою супергідрофобних матеріалів, в яких хімічна гидрофобность поверхні поєднується з відповідним рельєфом, наприклад, тонкими канавками або мікроколонії. Вода «ковзає» уздовж повітряних подушок, які утворюються в канавках, практично без опору і не може «прилипнути» до стінок. Це значно збільшує так звану довжину ковзання - основну характеристику «прилипання» води до поверхні.
Нові теорії, розроблені для рідини поблизу супергідрофобних поверхонь, дозволяють передбачити не тільки ковзання, а й інші форми незвичайного поведінки поблизу анізотропних поверхонь, з рельєфом, спрямованим в певну сторону. А тут зустрічаються досить цікаві в практичному сенсі ефекти. Наприклад, поблизу стінки, покритої витягнутими канавками, які спрямовані під кутом до основного потоку, рідина активно перемішується за рахунок того, що вона змінює напрямок течії. Інший можливий ефект - поділ зважених в рідини частинок за розміром.
Щоб виміряти довжину ковзання рідини уздовж неоднорідної супергідрофобной поверхні, фізики використовували атомно-силовий мікроскоп (ми вже розповідали про те, як він працює). Більш того, їм вдалося перевірити правильність теорії, що описує поведінку рідини на різних відстанях від такої поверхні. В експерименті зонд мікроскопа опускав сферичну мікрочастинок на супергідрофобную поверхню, занурену в рідину, причому швидкість занурення лишалася незмінною. Можна було в один і той же час з високою точністю і відстежувати стан мікросфери в канавці, і вимірювати силу, діючу на неї з боку рідини. Зіставлення теоретичного опису та експериментальної залежності гідродинамічної сили від відстані до супергідрофобной поверхні дозволило точно виміряти довжину ковзання.
Читайте також:
