Soms, vloeibare druppels vallen niet. In plaats daarvan, ze klimmen. Met behulp van computersimulaties, onderzoekers hebben nu laten zien hoe je druppeltjes kunt induceren om helemaal zelf de trap op te gaan.

Dit trapklimgedrag kan nuttig zijn in alles, van waterbehandeling en nieuwe lab-on-a-chip microfluïdische apparaten, tot biochemische verwerking en medische diagnostische hulpmiddelen. De onderzoekers, van het Indian Institute of Technology in Roorkee, Indië, en York University in Toronto, beschrijven hun bevindingen deze week in het tijdschrift Fysica van vloeistoffen .

Om de druppels te laten klimmen, dit nieuwe onderzoek onthult dat je een trap nodig hebt waarvan het oppervlak bij elke stap gemakkelijker aan elke druppel hecht. Een oppervlak waarop een druppel gemakkelijk blijft plakken, heeft een zogenaamd hoge bevochtigbaarheid, waardoor de druppel zich uitspreidt en plat wordt. Op een slecht bevochtigbaar oppervlak, echter, de druppel zou meer bolvormig blijven, als regendruppels die parelen op een waterdichte jas.

De onderzoekers hebben eerder een gradiënt van toenemende bevochtigbaarheid gebruikt om druppeltjes over een plat oppervlak te laten bewegen en zelfs een helling op te gaan. Een waterdruppel, bijvoorbeeld, wordt meer aangetrokken door een hydrofiel oppervlak met zijn grotere bevochtigbaarheid, dus een helling met een toenemend hydrofiel oppervlak naarmate het stijgt, kan een druppel bergopwaarts "trekken".

Echte oppervlakken zijn nooit perfect glad, echter; op voldoende kleine schaal, een oppervlak lijkt uiteindelijk ruw. Een helling op deze schalen is eigenlijk een microscopisch kleine trap. "De meeste oppervlakken zijn gestructureerd, en mobiliteit van een druppel over dergelijke oppervlakken vereist traplopen, " zei Arup Kumar Das van IIT Roorkee.

Om te onderzoeken hoe een druppel trappen kan beklimmen - en dus of deze techniek kan werken op meer echte oppervlaktetoepassingen - simuleerden de onderzoekers de fysica van druppeltjes ter grootte van een microliter op trappen met een bevochtigingsgradiënt.

Deze druppels zijn breder dan de lengte van elke stap, dus hun voorste zijde is op een hogere trede met een meer bevochtigbaar oppervlak, dan de achterliggende zijde. Het voorste deel van de druppel verspreidt zich dus meer, het vormen van een kleinere, vlakkere hoek met het oppervlak.

Het verschil in hoeken tussen de voor- en achterkant van de klimdruppels zorgt ervoor dat de vloeistof in de druppel gaat circuleren. Wanneer de voorrand van de druppel de volgende stap bereikt, de circulatie drijft de druppel naar voren, overlopen naar de volgende hogere trede, en het proces herhaalt zich.

Of de druppel voldoende kracht heeft om de zwaartekracht te overwinnen, hangt af van de grootte van de druppel, de steilheid van de treden en de verschillen in bevochtigbaarheid. In het algemeen, een grotere druppel is beter bij traplopen, en voor steilere trappen, er moet een hogere bevochtigingsgradiënt zijn.

De onderzoekers werken nu aan experimenten om de simulatieresultaten te bevestigen.

Veel andere methoden om druppels te beheersen, zijn afhankelijk van externe krachten zoals temperatuurvariaties, en elektrische en magnetische velden. Maar, Das uitgelegd, die methoden zijn vaak uitdagend en complex. De nieuwe studie toont aan dat passieve benaderingen zoals bevochtigbaarheid efficiënter kunnen zijn. "Passief betekent dat [we] een druppel kunnen manipuleren om zelfs duurzaam trappen te beklimmen zonder een externe kracht te gebruiken, " hij zei.