Welkom in de wondere wereld van zachte substraten. Deze materialen zijn gemaakt van siliconengels en hebben dezelfde textuur als panna cotta, maar zonder de heerlijke smaak. Ze worden gebruikt in een scala aan toepassingen, vooral in de farmaceutische industrie, omdat hun biocompatibele en anti-adhesieve eigenschappen ze resistent maken tegen corrosie en bacteriële besmetting. Deze substraten zijn zo zacht dat ze (omkeerbaar) kunnen worden vervormd door de capillaire krachten die optreden aan de randen van druppels wanneer ze op hun oppervlak worden geplaatst. Echter, druppels bewegen heel langzaam op deze oppervlakken; om te stromen, de druppeltjes moeten de substraten dynamisch vervormen en de weerstand overwinnen die wordt gecreëerd door de visco-elastische eigenschappen van het substraat. Een druppel ter grootte van een millimeter die op een verticaal geplaatst substraat wordt geplaatst, stroomt met een snelheid van slechts enkele honderden nanometers per seconde tot enkele tientallen micrometers per seconde. Met andere woorden, het zou de druppel drie uur kosten om slechts één meter te verplaatsen! Dit vertragende effect staat bekend als visco-elastisch remmen en vormt een groot obstakel voor het meer wijdverbreide gebruik van zachte ondergronden, vooral in de productie.

Een team van wetenschappers van EPFL's Engineering Mechanics of Soft Interfaces (EMSI) laboratorium, binnen de Technische School, heeft aangetoond dat visco-elastisch remmen kan worden overwonnen door kleine pilaren op het oppervlak van de ondergrond te plaatsen. Meer fundamenteel, de wetenschappers konden observeren, Voor de eerste keer, het contact tussen een vloeistof en een zacht substraat in een complexe geometrie. Hun bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in PNAS .

Een nieuwe geometrie

De EPFL-wetenschappers gebruikten een methode die al veel wordt gebruikt in bevochtigingsprocessen:de oppervlaktetextuur van een substraat veranderen zodat het superhydrofoob wordt. Specifieker, ze bedekten een geloppervlak met kleine pilaren van 100 µm hoog en 100 µm breed, zodat druppels op de gel alleen op de toppen van de pilaren liggen - net als een waaghals die op een spijkerbed loopt. De druppeltjes bekijken door een confocale microscoop, de wetenschappers zagen dat de pilaren vervormen als de druppeltjes langs hen bewegen. Bovendien, de grootte van de vaste vervorming was bijna dezelfde als die verkregen op een vlak geloppervlak, wat betekent dat de druppeltjes in feite worden opgehouden door de honderden kleine pilaren. En hoewel de vervormingsmaten zo dichtbij waren, de druppels bewogen met dezelfde snelheid als op een hard oppervlak.

"Deze gewijzigde texturen 'doden' het visco-elastische remeffect, ook al is er een vrij groot contactoppervlak tussen de vloeistof en de vaste stof, " zegt Martin Coux, een van de auteurs van het onderzoek, samen met prof. John Kolinski. "Door de unieke geometrie van de contactpunten tussen de vloeistof en de vaste stof, iets verhoogd boven het substraatoppervlak, de druppeltjes nemen configuraties aan die ze normaal niet zouden kunnen op een zacht oppervlak. Daardoor kunnen ze net zo snel langs het substraat stromen als op een hard oppervlak." Met behulp van de hogesnelheidsmicroscoop van de EMSI, de wetenschappers waren in staat om dit voorheen onbekende fenomeen van de fundamentele fysica te observeren en te begrijpen.

Het is de moeite waard erop te wijzen dat dit alles op micrometrische schaal gebeurt (de vaste vervormingen zijn in de orde van 1-100 µm). "Dankzij de vooruitgang die de afgelopen tien jaar is geboekt in de kijktechnologie, wetenschappers kunnen nu de vervormingen zien die optreden wanneer vloeistoffen in contact komen met zachte substraten - en niet alleen statisch (zoals wanneer de druppels stationair zijn), maar ook dynamisch, zoals wanneer de druppels op het oppervlak stromen, ", zegt Coux. Deze nieuwe mogelijkheid heeft een boost gegeven aan natuurkundigen die gespecialiseerd zijn in vloeistofmechanica, versnelde hun begrip van elastocapillaire interacties tussen zachte substraten en vloeistoffen, en zette de EPFL-wetenschappers op het pad naar hun baanbrekende ontdekking.