Een nieuwe manier om te bepalen hoe vloeistoffen op oppervlakken drogen, wat voordelen kan opleveren voor een groot aantal industrieën, is ontdekt door onderzoekers van Northumbria University en The Open University.

De bevindingen van het onderzoeksteam zijn vandaag gepubliceerd, woensdag 11 april, door het journaal Natuurcommunicatie .

Watermerken blijven achter wanneer een druppel op een vast oppervlak opdroogt, bijvoorbeeld, wanneer regendruppels op het oppervlak van een auto drogen, of wanneer water opdroogt op een wijnglas na het afwassen.

De manier waarop watermerken op een oppervlak verschijnen, is oncontroleerbaar omdat de vorm en locatie van een druppel bij het verdampen onvoorspelbaar is. Dit stelt beperkingen aan vele toepassingen, zoals inkjetprinten, waar een inktdruppel een vervormde vorm op papier kan achterlaten, en micro-engineering, waar watermerken de prestaties van delicate microstructuren kunnen bederven.

Echter, de onderzoekers van het Smart Materials and Surfaces Laboratory van Northumbria University, en de School voor Wiskunde en Statistiek van de Open Universiteit, voor het eerst een nieuwe manier hebben gevonden om de vorm en locatie van drogende druppels te controleren, bekend als 'snap verdamping'.

Wanneer een druppel verdampt op een vast oppervlak, zijn rand 'pint' en 'depint' op een ongecontroleerde manier. Dit effect treedt op vanwege de microscopische ruwheid van het kale vaste oppervlak. Echter, de onderzoekers waren in staat om de manier waarop druppeltjes droogden te controleren, door een combinatie van golvende massieve geometrie en een ultragladde oppervlaktebehandeling.

Hun bevindingen kunnen van invloed zijn op veel alledaagse toepassingen, bijvoorbeeld de auto-industrie zou auto-oppervlakken anders kunnen behandelen om watermerken te minimaliseren, en de smartphone- en computerindustrie zou de efficiëntie van micro-heatpipes kunnen verbeteren, die warmte van microprocessors verwijderen.

Dr Gary Wells, Senior docent aan de Northumbria University, zei:"Een eierdoos is een voorbeeld van een golvende vaste stof:het heeft zich herhalende pieken en dalen die een golvend patroon vormen. We hebben zo'n golvend patroon 3D geprint en het ruwe oppervlak bedekt met een dunne smeermiddellaag. Het resulterende composietoppervlak houdt de golvende vorm, maar wordt 'ultraglad'.

"Toen we waterdruppels op deze golvende oppervlakken lieten verdampen, ze trokken zich aanvankelijk op een soepele manier terug uit de vaste stof, zoals men zou verwachten voor een perfect gladde vaste stof. Echter, het golvende oppervlak zorgt ervoor dat de druppeltjes op bepaalde punten 'klikken', hun positie en vorm veranderen. Dit is een nieuwe manier van verdampen, die we 'snap evaporation' hebben genoemd.

"Opmerkelijk, dit proces is zeer reproduceerbaar, en we hebben ontdekt dat het werkelijke ontwerp van het golvende patroon de positie en vorm van de druppel kan bepalen."

De reden voor het snapgedrag ligt in de bifurcatietheorie, een tak van de wiskunde die bestudeert hoe een systeem - in dit geval de druppel - reageert op een verandering in een controleparameter - in dit geval een vermindering van massa als gevolg van verdamping.

Dr Marc Pradas, Docent aan de Open Universiteit, legde uit:"Het belangrijkste idee achter onze theorie is dat de configuratie die een druppel aanneemt op een golvend vast patroon niet uniek is. Er zijn verschillende vormen en posities die dezelfde hoeveelheid vloeistof kan innemen op een bepaald golvend patroon.

"Tijdens het verdampen, de massa van een druppel verandert, en het blijkt dat wat een stabiele druppelvorm en positie was, onstabiel wordt. Op dit punt, wat bekend staat als een bifurcatie, de druppel moet van vorm en positie veranderen. Het golvende oppervlak fungeert als een stuurwiel, het geleiden van de druppel naar de volgende stabiele configuratie nadat er een klik is opgetreden."

Dr. Rodrigo Ledesma-Aguilar, Universitair hoofddocent aan de Northumbria University, toegevoegd:"De implicaties van onze studie kunnen een impact hebben op veel alledaagse toepassingen, en we werken momenteel samen met industriële partners die kunnen profiteren van ons onderzoek.

"Bijvoorbeeld, we werken samen met Jaguar Land Rover om nieuwe strategieën te ontwikkelen die watermerken op het oppervlak van auto's minimaliseren. Een ander voorbeeld is onze samenwerking met Sustainable Energy Systems, die kunnen profiteren van onze resultaten door de efficiëntie te verbeteren van warmteafvoersystemen die worden gebruikt in microprocessors zoals CPU's en GPU's."

De volledige bevindingen van het onderzoek zijn te vinden in de paper Snap evaporation of droplets on smooth topographies die is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .