Voor het grootste gedeelte, vloeistofdynamica-onderzoekers hebben zich geconcentreerd op het begrijpen van de details van het inslaan van druppels op vlakke, stijve oppervlakken; het effect van gebogen, convexe of meegevende oppervlakken over de dynamiek van inslaande druppels is nog relatief onbekend. Dit ondanks zijn extreme relevantie voor moderne toepassingen, zoals 3D inkjetprinten en het afleveren van bestrijdingsmiddelen op bladeren.

Een team van onderzoekers van het University of Liverpool Laboratory of Technical Physics in het Verenigd Koninkrijk heeft deze effecten nu gedetailleerd door de impact van waterdruppels op sferische zachte oppervlakken te onderzoeken. Ze presenteren hun onderzoek deze week in het tijdschrift Fysica van vloeistoffen , van AIP Publishing.

Met behulp van een polydimethylsiloxaan (PDMS) siliconenelastomeer, de onderzoekers produceerden een verscheidenheid aan convexe halfronde elastische substraten. Het team van Liverpool voerde verschillende reeksen experimenten uit, het variëren van de impactparameters, inclusief diameterverhoudingen, elastische modulus van polymeer en Weber-getallen.

"We namen een zacht materiaal, een siliconenpolymeer, en we waren in staat om de zachtheid of hardheid van deze siliconen te veranderen, op verschillende manieren klaarmaken, " zei Volfango Bertola, een lid van het onderzoeksteam.

De analyse van het team was gericht op de hoeveelheden die de morfologie kenmerken, of het spreiden en terugtrekken, van vallende druppels, en de effecten die de impactparameters hebben op het spreiden en terugtrekken. Ze gebruikten beeldverwerking om een ​​glimp op te vangen van deze verschijnselen, en vervolgens om strooihoekbereiken te meten, bevochtigde krommelengtes en dynamische contacthoeken voor waterdruppels die invloed hebben op verschillende polymeren.

Een unieke beeldverwerkingstechniek op basis van een goniometrische masker leverde metingen van de dynamische contacthoek tijdens impact. Deze nieuwe techniek vereist niet dat de druppelvorm bolvormig is, of zelfs symmetrisch zijn, en dit maakte het meten van de dynamische contacthoek mogelijk.

De onderzoekers toonden aan dat oppervlaktekromming de terugtrekking van de getroffen druppel verbetert. Ze stelden vast dat dit te wijten was aan het verschil in energiedissipatie veroorzaakt door de oppervlaktekromming. Deze dissipatie zorgt ervoor dat de temperatuur van de druppel stijgt tijdens de impact.

Over het algemeen, de impactparameters bleken de dynamische contacthoek tijdens impact aanzienlijk te beïnvloeden. Een kwantitatieve schatting van de vervormingsenergie toonde aan dat deze energie ruim onder de viskeuze dissipatie valt.

Van de drie bestudeerde impactparameters, het Weber-nummer bleek het grootste effect op de dynamische contacthoek te creëren. In alle bestudeerde situaties een toename van het impact Weber-getal werd waargenomen om de dynamische contacthoek systematisch te verminderen, ongeacht de andere impactparameterwaarden. In feite, het Liverpool-team ontdekte dat het effect van de diameterverhouding en de elasticiteitsmodulus op de verspreiding beperkt is.

Het gebruik van een eenvoudige benadering van energiebesparing om rekening te houden met de energiedissipatie via vervorming van het substraat verklaart slechts een klein deel van de experimentele resultaten. De groep stelde vast dat deze aanpak niet voldoende was om uit te leggen, specifiek, de maximale strooilengte. Dit, en andere factoren, roept nieuwe vragen op met betrekking tot de impact van vallen op convexe zachte oppervlakken; echter, het proces is goed op weg dankzij deze wetenschappers.

"Er is een soort nieuw gebied dat kan worden verkend, dit is het eerste werk dat spreekt over effecten op zachte bollen. Dit zal hopelijk anderen aanmoedigen om deze in meer detail te bestuderen, zowel experimenteel als numeriek, ' zei Bertola.