Japanse onderzoekers zijn erin geslaagd een theoretische formule af te leiden die kwantitatief het bevochtigings- en verspreidingsgedrag voorspelt van druppeltjes die botsen met het platte oppervlak van een vast materiaal. Hoewel het gedrag van druppels die botsen met een vast oppervlak oppervlakkig eenvoudig lijkt, het is eigenlijk vrij ingewikkeld vanwege onderling gerelateerde factoren zoals oppervlakteruwheid, vloeiende beweging, en bevochtigbaarheid (gemakkelijke hechting van vloeistof) van het vaste oppervlak door de vloeistof. Vroeger, onderzoekers van over de hele wereld hebben geprobeerd om kwantitatieve voorspellingen te doen over de omvang van natte gebieden door middel van experimenten, theorie en numerieke analyse, maar voorspelling, vooral bij langzame botsingen, zijn nog niet gerealiseerd.

Druppelbotsingen op vaste oppervlakken zijn de sleutel tot veel industriële toepassingen, zoals inkjetprinters, brandstofinjectoren en sproeikoeling. Het maximale bevochtigings- en verspreidingsgebied van druppels na een botsing is een van de belangrijkste parameters die de kwaliteit en efficiëntie van dergelijke apparatuur beïnvloeden.

Het maximale bevochtigings- en verspreidingsgebied van een druppel is ook afhankelijk van de aard van de druppel, de snelheid waarmee de druppel inslaat, en de aard van de vaste stof waarop het slaat. Bijvoorbeeld, wanneer een druppel op glas of teflon botst, het maximale bevochtigings- en verspreidingsgebied zal anders zijn. Het gemak waarmee een vloeistof aan een oppervlak hecht, hangt af van de bevochtigbaarheid van het oppervlak. De bevochtigbaarheid van druppels die aan een vast oppervlak hechten, wordt gekenmerkt door de tangentiële dynamische balansvergelijking (de Young-vergelijking) op de contactlijn.

In eerdere theoretische studies over het maximale bevochtigings- en verspreidingsgebied van botsingsdruppels, alleen de balansvergelijking van de contactlijn in de tangentiële richting werd beschouwd. Er waren geen relationele uitdrukkingen om het maximale bevochtigings- en verspreidingsgebied van een druppel te voorspellen onder een breed scala van invallende snelheidsomstandigheden. Typisch, twee methoden worden gebruikt om berekeningen te maken, een wanneer de botssnelheden hoog zijn en een andere wanneer de snelheden laag zijn. Echter, de conventionele methode die wordt gebruikt voor botsingen met hoge snelheid genereert grote fouten bij lage snelheden, en de conventionele methode die wordt gebruikt voor botsingen met lage snelheid levert grote fouten op bij hoge snelheden.

Om rekenfouten te verminderen, een samenwerking tussen Kumamoto University en Kyoto University-onderzoekers gericht op normale oppervlaktespanning op de contactlijn, en de energiebalans van druppeltjes die botsen met vaste oppervlakken. Terwijl je dat doet, ze overwogen de nadelen van het gebruik van conventionele methoden voor het evalueren van de viskeuze dissipatie van energie veroorzaakt door vloeistofbeweging in een druppel op het moment van botsing, en afgeleid een nieuwe theoretische formule.

Deze formule voorspelt kwantitatief het maximale bevochtigings- en verspreidingsgebied wanneer druppeltjes botsen met verschillende soorten vaste stoffen, zoals siliconenrubber of superhydrofobe ondergronden. Verder, de onderzoekers bevestigden dat het niet alleen kan worden toegepast op milli-grootte, maar ook op micro-druppels.

"Onlangs, technologie voor de fabricage van circuits op nanoschaal voor halfgeleidersubstraten met behulp van inkjettechnologie heeft veel aandacht getrokken, " zei assistent-professor Yukihiro Yonemoto van de Kumamoto University, wie de studie leidt. "Waarnemingen van fenomenen op nanoschaal, echter, dure experimentele apparatuur nodig hebben, en voorspelling door numerieke analyse vereist gespecialiseerde technologie. Door een eenvoudige methode te gebruiken om het maximale bevochtigingsverspreidingsgebied van een druppel na een botsing te voorspellen, we kunnen verwachten efficiëntere circuitontwerpen te realiseren, onder andere." Druppels die het oppervlak van een plat vast materiaal raken, rekken en verspreiden zich niet alleen, maar zal ook splitsen in fijnere druppeltjes (spatverschijnsel) als de energie op het moment van een botsing groot is. Onderzoekers van Kumamoto University en Kyoto University werken momenteel aan een theorie die deze fenomenen beschouwt om de resultaten van hun onderzoek verder uit te breiden.

Deze bevinding is online gepubliceerd in het open access tijdschrift Wetenschappelijke rapporten op 24 mei 2017.