Здавалося б, щось настільки просте, як рух крапель води по поверхні, дійсно має бути давно зрозуміло. Насправді досі залишається безліч невирішених питань про сили, що діють на ковзну краплю. Група вчених з Інституту досліджень полімерів імені Макса Планка у співпраці з колегами з Технічного університету Дармштадта виявила: крім поверхневої енергії і в'язкого тертя всередині краплі значну роль також відіграє електростатика.
Краплі дощу б'ють у вікно автомобіля, і вітер відкидає краплі вбік. Навіть сьогодні ніхто не зможе точно передбачити, як краплі рухаються по лобовому склу.
Однак таке розуміння важливе в багатьох областях, таких як автономне водіння: наприклад, камери, встановлені в лобовому склі, повинні стежити за дорогою і дорожньою обстановкою - для цього поверхня лобового скла повинна бути спроектована належним чином.
В ідеалі краплі повністю здуваються повітряним потоком, а огляд залишається чітким навіть під дощем. Іншими прикладами зі зворотним знаком є програми, в яких краплі повинні навпаки прилипати до поверхонь, наприклад аерозольна фарба або пестициди.
«Досі передбачалося, що поверхневе покриття відповідає за те, як крапля рухається по поверхні, тобто за перші кілька молекулярних шарів», - говорить професор Ханс-Юрген Батт, автор дослідження.
Наприклад, від поверхні залежить, чи буде формуватися крапля сферичної або плоскої форми. Якщо краплі «подобається» поверхня, вона притискається до неї, щоб забезпечити якомога більший контакт.
Якщо краплі «не подобається» поверхня, як у випадку з відомим ефектом лотоса, вона згортається. Було також ясно, що при русі краплі виникає в'язке тертя, тобто тертя між окремими молекулами води - відбувається всередині краплі, що також впливає на її рух.
Електростатика викликає різницю у швидкості
Група дослідників з MPI for Polymer Research виявила, що ні капілярні, ні в'язкоупругі сили не можуть пояснити відмінності у швидкості, з якою краплі рухаються різними поверхнями.
Питання викликав, зокрема, той факт, що краплі біжать з різною швидкістю по різних підкладках - навіть якщо ці підкладки мають ідентичне поверхневе покриття, де ніяких відмінностей очікувати не доводиться. Тому дослідники вперше представили загадкову «додаткову силу».
Щоб відстежити це, вчені організували «гонку крапель». Вони знімала краплі на різних підкладках, витягували з їхнього руху профілі швидкості і прискорення, розраховували сили, які вже були відомі, щоб розрахувати силу, яку вони ще не бачили.
Ефект лотоса відноситься до самоочищуваних властивостей, які є результатом ультрагідрофобності, що проявляється листям Нелумбо, квітки лотоса. Частинки пилу вловлюються краплями води через мікро- і наноскопічну архітектуру на поверхні, яка мінімізує адгезію краплі до цієї поверхні. Ультрагідрофобні та самоочищливі властивості виявлені також у інших рослин, таких як настурція, опунція, алхімілла, тростина, а також на крилах деяких комах, для яких захист від надлишкової води життєво необхідний: намокнувши, вони втратили б здатність літати.
Вражаючий результат: розрахована сила узгоджується з електростатичною силою, яку дослідники вперше описали в моделі кілька років тому.
«Порівнюючи експериментальні результати з цією чисельною моделлю, ми можемо пояснити раніше заплутані траєкторії крапель», - говорить Стефан Вебер, керівник групи у відділі Батта.
Якщо раніше нейтральні краплі ковзають по ізолятору, вони можуть стати електрично зарядженими: так що електростатика відіграє тут значну роль. З іншого боку, на електропровідній підкладці крапля негайно віддає свій заряд назад на підкладку.
"Тому великий вплив справляє електростатична сила, яку ніхто раніше не враховував: її необхідно враховувати для води, водних електролітів та етиленгліколю на всіх випробуваних гідрофобних поверхнях ", - резюмують вчені.
Дослідницька група опублікувала результати в журналі Nature Physics. Ці результати поліпшать контроль за рухом крапель у багатьох додатках, від друку до мікрофлюїдики або управління водними ресурсами до вироблення електроенергії за допомогою міні-генераторів на основі крапель.