De bladeren van de lotusbloem, en andere natuurlijke oppervlakken die water en vuil afstoten, zijn het model geweest voor vele soorten gemanipuleerde vloeistofafstotende oppervlakken. Hoe glad deze oppervlakken ook zijn, echter, kleine waterdruppeltjes blijven eraan plakken. Nutsvoorzieningen, Penn State-onderzoekers hebben nano/micro-getextureerde, zeer gladde oppervlakken die beter presteren dan deze natuurlijk geïnspireerde coatings, vooral wanneer het water een damp of kleine druppeltjes is.

Het verbeteren van de mobiliteit van vloeistofdruppels op ruwe oppervlakken kan de warmteoverdracht van condensatie voor warmtewisselaars van elektriciteitscentrales verbeteren, zorgen voor een efficiëntere waterwinning in droge gebieden, en het voorkomen van ijsvorming en bevriezing op vliegtuigvleugels. "Dit vertegenwoordigt een fundamenteel nieuw concept in gemanipuleerde oppervlakken, " zei Tak-Sing Wong, assistent-professor werktuigbouwkunde en een faculteitslid in het Penn State Materials Research Institute. "Onze oppervlakken combineren de unieke oppervlakte-architecturen van lotusbladeren en bekerplanten op een zodanige manier dat deze oppervlakken zowel een groot oppervlak als een gladde interface hebben om de druppelverzameling en mobiliteit te verbeteren. De mobiliteit van vloeistofdruppels op ruwe oppervlakken is sterk afhankelijk van hoe de vloeistof maakt het oppervlak nat. We hebben voor het eerst experimenteel aangetoond dat vloeistofdruppels zeer mobiel kunnen zijn in de Wenzel-staat."

Vloeistofdruppels op ruwe oppervlakken zijn er in twee toestanden:Cassie, waarbij de vloeistof gedeeltelijk drijft op een laag lucht of gas, en Wenzel, waarin de druppeltjes volledig in contact zijn met het oppervlak, ze te vangen of vast te pinnen. De twee staten zijn genoemd naar de natuurkundigen die ze voor het eerst beschreven. Terwijl de Wenzel-vergelijking in 1936 werd gepubliceerd in een veel geciteerd artikel, het was buitengewoon uitdagend om de vergelijking experimenteel te verifiëren.

"Door zorgvuldig, systematische analyse, we ontdekten dat de Wenzel-vergelijking niet van toepassing is op sterk bevochtigende vloeistoffen, " zei Birgitt Boschitsch Stogin, afgestudeerde student in Wong's groep en co-auteur van "Slippery Wenzel State, " gepubliceerd in de online editie van ACS Nano .

"Druppels op conventionele ruwe oppervlakken zijn mobiel in de Cassie-staat en worden vastgezet in de Wenzel-staat. De kleverige Wenzel-staat leidt tot veel problemen bij de warmteoverdracht van condensatie, waterwinning en ijsverwijdering. Ons idee is om deze problemen op te lossen door de staatsdruppeltjes van Wenzel mobiel te maken, " zei Xianming Dai, postdoctoraal onderzoeker in de groep van Wong en de hoofdauteur van het papier. In het laatste decennium, enorme inspanningen zijn besteed aan het ontwerpen van ruwe oppervlakken die de overgang van Cassie naar Wenzel voorkomen. Een belangrijke conceptuele vooruitgang in de huidige studie is dat zowel Cassie- als Wenzel-state druppeltjes mobiliteit kunnen behouden op het gladde, ruwe oppervlak, afzien van het moeilijke proces van het voorkomen van de bevochtigingsovergang.

Om Wenzel State Droplets mobiel te maken, de onderzoekers etsen pilaren op micrometerschaal in een siliciumoppervlak met behulp van fotolithografie en diep reactief-ionenetsen, en creëerde vervolgens texturen op nanoschaal op de pilaren door nat te etsen. Vervolgens doordrenken ze de nanotexturen met een laagje smeermiddel dat de nanostructuren volledig bedekte, wat resulteert in een sterk verminderde vastzetting van de druppeltjes. De nanostructuren verbeterden ook de retentie van smeermiddel aanzienlijk in vergelijking met alleen het microgestructureerde oppervlak.

Hetzelfde ontwerpprincipe kan eenvoudig worden uitgebreid naar andere materialen dan silicium, zoals metalen, glas, keramiek en kunststoffen. De auteurs geloven dat dit werk de zoektocht naar een nieuwe, uniform model van bevochtigingsfysica dat bevochtigingsverschijnselen op ruwe oppervlakken verklaart.