Таинственные силыПрофессор ETH Димос Пуликакос и его сотрудники из Лаборатории термодинамики в Emerging Technologies изучали поведение водяных капель на поверхности, помещая каплю размером один миллиметр на специально обработанную жесткую силиконовую поверхность, а затем непрерывно снижая давление воздуха в экспериментальной камере. , с помощью высокоскоростной камеры, снимающей каплю.
Сначала капля неподвижно лежала на поверхности, но при давлении примерно в двадцатую часть нормального атмосферного давления внезапно подпрыгнула. После короткого прыжка капля в конце концов снова приземлилась на поверхность, только чтобы снова подпрыгнуть — даже выше, чем в первый раз.
Точно так же, как спортсмен на батуте прыгает выше при каждом отскоке от эластичного полотна, капля воды поднималась выше после каждого контакта с поверхностью, даже если эта поверхность была полностью жесткой. Для неспециалиста это может показаться магией, но эксперт видит, прежде всего, то, что выглядит как нарушение фундаментальных физических законов, согласно которым тело, падающее на твердую поверхность, не должно спонтанно приобретать двигательную энергию, которая позволяет ему приходите в норму выше. Тем не менее, похоже, что капля, прыгающая на батуте, делает именно это.Капли с ракетным движением
Чтобы понять, откуда берется сила, толкающая капли вверх, Пуликакос и его аспиранты Том Шутциус и Стефан Юнг провели подробный анализ движения капли и, используя тепловизионную камеру, распределения температуры внутри нее. Ученые ETH, которые в последние годы уже раскрыли ряд загадок, связанных с каплями воды, теперь обнаружили, что сочетание естественного испарения воды и микроструктуры поверхности материала имеет важное значение для феномена прыжков на батуте. Избыточное давление между каплей и поверхностью, возникающее в результате испарения, запускает каплю вверх при каждом ударе, как это сделала бы пружина.
Когда капля воды, охлажденная намного ниже нуля градусов по Цельсию (или «переохлажденная»), начинает замерзать, испарение усиливается за счет так называемой рекалесценции. Это хорошо известный эффект обработки материалов, например закаленного железа, которое при охлаждении самопроизвольно нагревается до красного каления на короткое время. Причина в том, что скрытое тепло, которое выделяется внутри куска железа, затвердевает.
Что-то очень похожее происходит внутри капли воды: когда испаряющаяся на ее поверхности вода охлаждает ее до температуры ниже точки замерзания, начинают формироваться кристаллы льда. Тепло, выделяющееся при этом фазовом переходе от жидкости к твердому телу, затем быстро нагревает каплю до нуля градусов. «Это нагревание происходит за несколько миллисекунд, — объясняет Шуциус, — и, как следствие, вызывает взрывное испарение».
Это снова охлаждает каплю, и цикл повторяется. Взрывное испарение создает еще более высокое избыточное давление между каплей и поверхностью и заставляет ее взлетать, как ракета.
Интеллектуальный дизайн поверхностиОднако суть дела кроется в самой поверхности. Он должен быть шероховатым, чтобы капля не прилипала к нему, но, с другой стороны, он не должен быть слишком грубым, иначе водяной пар будет выходить слишком быстро через поры и трещины на поверхности, что приведет к эффекту ракеты. буквально раствориться в воздухе.
Микроструктурированные кремниевые поверхности, созданные исследователями ETH, в точности соответствуют этим требованиям: они состоят из регулярного массива крошечных столбцов (шириной всего несколько микрометров) с интервалом примерно в пять микрометров.«По результатам нашего исследования мы можем сделать вывод, какие качества поверхности должны иметь в целом, чтобы они сильно отталкивали воду и лед, и затем соответствующим образом их спроектировать», — говорит Пуликакос.
В своих экспериментах ученые исследовали различные материалы, включая травленный алюминий и углеродные нанотрубки. Чтобы сделать батутный механизм еще более полезным для реальных приложений, сначала нужно заставить его работать при нормальном давлении воздуха.
Пуликакос и его сотрудники надеются добиться прогресса в этом направлении в ближайшие несколько лет. Если это будет достигнуто, появится множество приложений, от незамерзающих линий электропередач до дорожных покрытий, отталкивающих воду и лед.
И, возможно, когда-нибудь отпадет необходимость в антиобледенении крыльев самолета.Видео: https://www.youtube.com/watch?v=K1uIg5QqDlw