Een uitgebreid raamwerk voor het bestuderen van het verdampingsgedrag van vloeibare knikkers helpt KAUST-onderzoekers om deze kleine biologische structuren beter te begrijpen.

Vloeibare knikkers werden voor het eerst ontdekt tijdens een onderzoek naar het gedrag van bladluizen - kleine insecten die in plantengallen leven. Bladluizen drinken nectar, dan kleverig uitscheiden, suikerhoudende stoffen in hun besloten leefruimte. Om te voorkomen dat ze verdrinken in hun eigen uitwerpselen, de insecten bedekken de kleverige vloeistof met wasdeeltjes, het creëren van kleine vloeibare knikkers met een hydrofobe buitenlaag waar ze niet aan kunnen blijven plakken.

Wetenschappers realiseerden zich snel de waarde van een dergelijk systeem om kleine hoeveelheden intacte vloeistof over een oppervlak te transporteren zonder het te "bevochtigen". Andere toepassingen voor vloeibare knikkers zijn onder meer miniatuur biochemische reactoren en monitoring van vervuiling.

"Ook al is het wateroppervlak van een vloeibaar marmer bedekt met hydrofobe (waterafstotende) deeltjes, ze kunnen nog steeds sneller verdampen dan kale waterdruppels. Dit contra-intuïtieve feit wakkerde onze nieuwsgierigheid aan, " zegt Adair Gallo Jr, de Ph.D. student die samen met Himanshu Mishra en collega's aan de studie werkte.

Momenteel, er is een onvolledig begrip van hoe deeltjesgrootte, wrijving tussen deeltjes en interacties tussen vloeistof en deeltjes beïnvloeden het verdampingsgedrag van de knikkers. Het team bestudeerde knikkers gevormd uit deeltjes met verschillende hydrofobe aard, oppervlakteruwheid en afmetingen, variërend van nano tot micro.

Met behulp van high-speed beeldvorming, Gallo ontdekte dat interacties tussen vloeistof en deeltjes en deeltjes het verdampingsgedrag kritisch beïnvloedden, en hij groepeerde ze in drie gevallen. Ten eerste, knikkers gevormd uit deeltjes met een hoge vloeistof-deeltjesadhesie en matige wrijving tussen de deeltjes hielden hun totale oppervlak intact terwijl ze leegliepen, wat leidt tot snellere verdamping en afgeplatte vormen. De meeste marmeren voorbeelden vielen in deze categorie.

Voor het tweede geval Gallo experimenteerde met silicadeeltjes op microschaal bedekt met deeltjes op nanoschaal die ultra-waterafstotend waren.

"Toen deze vloeibare knikkers verdampten, ze wierpen deeltjes van hun oppervlak en bleven bolvormig; dit hadden we niet verwacht te zien, ", zegt Gallo. "Dit gebeurt vanwege zeer lage vloeistofdeeltjes en interdeeltjeskrachten. nieuwsgierig, dit geval vertoonde dezelfde verdampingssnelheden als kale waterdruppels."

Het derde geval betrof kleverige nanodeeltjes die nauw met elkaar in wisselwerking stonden, maar niet met de vloeistof erin. Terwijl de vloeistof verdampte, de deeltjes werden van het wateroppervlak geduwd om een ​​meerlaagse coating te vormen. De knikkers behielden een bolvorm, maar verdampten veel langzamer vanwege de dikkere deeltjeslagen.

Het team gebruikte deze gegevens om een ​​wiskundig model te bouwen dat nauwkeurig het verdampingsgedrag voorspelt van alle vloeibare knikkers die in dit werk en in tal van andere gepubliceerde rapporten zijn bestudeerd.

"Ons door nieuwsgierigheid gedreven onderzoek heeft geleid tot een solide analytisch kader voor het denken over deze zachte, squishy objecten, ' zegt Misra.