Iets eenvoudigs als de beweging van waterdruppels op oppervlakken zou eigenlijk moeten worden begrepen - zou je denken. In feite zijn er nog tal van onbeantwoorde vragen over de krachten die op een glijdende druppel werken. Een team van onderzoekers van het Max Planck Institute for Polymer Research in samenwerking met collega's van de TU Darmstadt heeft nu ontdekt:naast oppervlakte-energie en viskeuze wrijving in de druppel, speelt elektrostatica ook een belangrijke rol. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics .

Regendruppels raken de autoruit en de wind duwt de druppels opzij. Zelfs vandaag de dag heeft niemand precies kunnen voorspellen hoe de druppels op de voorruit bewegen. Toch is een dergelijk begrip belangrijk op tal van gebieden, zoals autonoom rijden:camera's die in de voorruit zijn geïnstalleerd, moeten bijvoorbeeld de weg en de verkeerssituatie in de gaten houden - daarvoor moet het oppervlak van de voorruit zo zijn ontworpen een manier waarop de druppels volledig worden weggeblazen door de luchtstroom en het zicht zelfs in de regen helder blijft. Andere voorbeelden met het tegenovergestelde teken zijn toepassingen waarbij druppels aan oppervlakken moeten blijven kleven, zoals spuitverf of pesticiden.

"Tot nu toe werd aangenomen dat de oppervlaktecoating verantwoordelijk was voor hoe de druppel op een oppervlak beweegt, dat wil zeggen de eerste paar moleculaire lagen", zegt prof. Hans-Jürgen Butt, directeur van de "Physics of Interfaces" afdeling van het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek. Het hangt bijvoorbeeld van het oppervlak af of er een bolvormige of een platte druppelvorm wordt gevormd. Als de druppel van het oppervlak houdt, drukt hij zichzelf er plat op om zoveel mogelijk contact te maken. Als het niet van het oppervlak houdt, zoals in het geval van het bekende lotuseffect, krult het op. Het was ook duidelijk dat wanneer een druppel beweegt, viskeuze wrijving, d.w.z. wrijving tussen de afzonderlijke watermoleculen - vindt plaats in de druppel, die ook de beweging ervan beïnvloedt.

Elektrostatica veroorzaken snelheidsverschillen

Het team van onderzoekers van de MPI for Polymer Research ontdekte dat noch capillaire noch visco-elastische krachten de verschillen in de snelheid waarmee druppeltjes over verschillende oppervlakken bewegen kunnen verklaren. Er werden met name vragen gesteld door het feit dat de druppels met verschillende snelheden op verschillende substraten lopen - zelfs als deze substraten een identieke oppervlaktecoating hebben, waar geen verschillen zouden worden verwacht. De onderzoekers introduceerden daarom eerst een mysterieuze 'extra kracht'. Om het op te sporen, heeft Xiaomei Li, een Ph.D. student van de afdeling Hans-Jürgen Butt, organiseerde een droprace. "Ik filmde de druppels op verschillende substraten, haalde snelheids- en versnellingsprofielen uit hun beweging, berekende de krachten die al bekend waren om de kracht te berekenen waar we nog niet naar hadden gekeken", legt ze uit.

Het verbluffende resultaat:de berekende kracht komt overeen met een elektrostatische kracht die de onderzoekers enkele jaren geleden voor het eerst in een model beschreven. "Door de experimentele resultaten te vergelijken met dit numerieke model, kunnen we voorheen verwarrende druppeltrajecten verklaren", zegt Jun.-Prof. Stefan Weber, een groepsleider op de afdeling van Butt.

Als voorheen neutrale druppels over een isolator glijden, kunnen ze elektrisch worden geladen:elektrostatica speelt daar dus een belangrijke rol. Op een elektrisch geleidend substraat daarentegen geeft de druppel onmiddellijk zijn lading terug aan het substraat. "De elektrostatische kracht, waar niemand eerder rekening mee had gehouden, heeft daarom een ​​grote invloed:er moet rekening worden gehouden met water, waterige elektrolyten en ethyleenglycol op alle geteste hydrofobe oppervlakken", vat Weber samen. Het onderzoeksteam heeft de resultaten nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics . Deze resultaten zullen de beheersing van druppelbeweging in veel toepassingen verbeteren, variërend van printen tot microfluïdica of waterbeheer tot stroomopwekking via op druppeltjes gebaseerde minigeneratoren. + Verder verkennen

Multifunctionele elektrostatische druppelpincet begeleidt druppelbeweging op afstand