In veel situaties, ingenieurs willen het contact van waterdruppels of andere vloeistoffen met oppervlakken waarop ze vallen tot een minimum beperken. Of het doel nu is om te voorkomen dat ijs zich ophoopt op een vliegtuigvleugel of een windturbineblad, of het voorkomen van warmteverlies van een oppervlak tijdens regen, of het voorkomen van zoutophoping op oppervlakken die zijn blootgesteld aan oceaanspray, ervoor zorgen dat druppeltjes zo snel mogelijk wegkaatsen en de hoeveelheid contact met het oppervlak tot een minimum beperken, kan de sleutel zijn om systemen goed te laten functioneren.

Nutsvoorzieningen, een onderzoek door onderzoekers van MIT toont een nieuwe benadering aan om het contact tussen druppeltjes en oppervlakken te minimaliseren. Terwijl eerdere pogingen, ook door leden van hetzelfde team, hebben zich gericht op het minimaliseren van de tijd die de druppel in contact met het oppervlak doorbrengt, de nieuwe methode richt zich in plaats daarvan op de ruimtelijke omvang van het contact, proberen te minimaliseren hoe ver een druppel zich verspreidt voordat hij wegstuitert.

De nieuwe bevindingen worden beschreven in het tijdschrift ACS Nano in een paper van MIT-afgestudeerde student Henri-Louis Girard, postdoc Dan Soto, en hoogleraar werktuigbouwkunde Kripa Varanasi. De sleutel tot het proces, zij leggen uit, creëert een reeks verhoogde ringvormen op het oppervlak van het materiaal, die ervoor zorgen dat de vallende druppel in een komvormig patroon omhoog spat in plaats van plat over het oppervlak uit te stromen.

Het werk is een vervolg op een eerder project van Varanasi en zijn team, waarin ze de contacttijd van druppeltjes op een oppervlak konden verminderen door verhoogde richels op het oppervlak te creëren, die het verspreidingspatroon van inslaande druppeltjes verstoorde. Maar het nieuwe werk gaat verder, het bereiken van een veel grotere vermindering van de combinatie van contacttijd en contactoppervlak van een druppel.

Om ijsvorming op een vliegtuigvleugel te voorkomen, bijvoorbeeld, het is essentieel om de druppels van het inslaande water weg te laten stuiteren in minder tijd dan het water nodig heeft om te bevriezen. Het eerder geribbelde oppervlak slaagde er wel in de contacttijd te verkorten, maar Varanasi zegt:"sindsdien, we ontdekten dat hier nog iets anders speelt, " dat is hoe ver de druppel zich uitspreidt voordat hij terugkaatst en weerkaatst. "Het verkleinen van het contactoppervlak van de botsende druppel zou ook een dramatische impact moeten hebben op de overdrachtseigenschappen van de interactie, ' zegt Varanasi.

Het team startte een reeks experimenten die aantoonden dat verhoogde ringen van precies de juiste maat, het oppervlak bedekken, zou ervoor zorgen dat het water dat zich uit een inslaande druppel verspreidt, in plaats daarvan omhoog spat, een komvormige plons vormen, en dat de hoek van die opwaartse plons kon worden gecontroleerd door de hoogte en het profiel van die ringen aan te passen. Als de ringen te groot of te klein zijn in vergelijking met de grootte van de druppeltjes, het systeem wordt minder effectief of werkt helemaal niet, maar als de maat goed is, het effect is dramatisch.

Het blijkt dat het verminderen van de contacttijd alleen niet voldoende is om de grootste contactreductie te bereiken; het is de combinatie van de tijd en het contactgebied dat van cruciaal belang is. In een grafiek van de contacttijd op één as, en het contactgebied op de andere as, wat er echt toe doet, is de totale oppervlakte onder de curve - dat wil zeggen, het product van de tijd en de mate van contact. Het gebied van de verspreiding was "was een andere as die niemand heeft aangeraakt" in eerder onderzoek, zegt Girard. “Toen we daarmee begonnen, we zagen een drastische reactie, " het totale tijd-en-oppervlaktecontact van de druppel met 90 procent verminderen. "Het idee om het contactoppervlak te verkleinen door 'waterbakken' te vormen, heeft een veel groter effect op het verminderen van de algehele interactie dan door alleen de contacttijd te verminderen, ' zegt Varanasi.

Naarmate de druppel zich binnen de verhoogde cirkel begint te verspreiden, zodra het de rand van de cirkel raakt, begint het af te buigen. "Het momentum wordt naar boven gericht, "Girard zegt, en hoewel het zich uiteindelijk zo ver naar buiten verspreidt als het anders zou zijn geweest, het is niet meer aan de oppervlakte, en daardoor het oppervlak niet afkoelt, of leidend tot ijsvorming, of het blokkeren van de poriën op een "waterdichte" stof.

De ringen zelf kunnen op verschillende manieren en van verschillende materialen gemaakt worden, de onderzoekers zeggen - het is gewoon de grootte en afstand die ertoe doet. Voor sommige testen is ze gebruikten ringen die 3D op een substraat waren geprint, en voor anderen gebruikten ze een oppervlak met een patroon dat is gecreëerd door een etsproces dat vergelijkbaar is met dat van de fabricage van microchips. Andere ringen zijn gemaakt door computergestuurd frezen van kunststof.

Hoewel druppelinslagen met hogere snelheid over het algemeen schadelijker kunnen zijn voor een oppervlak, met dit systeem verbeteren de hogere snelheden in feite de effectiviteit van de omleiding, nog meer van de vloeistof ophelderen dan bij lagere snelheden. Dat is goed nieuws voor praktische toepassingen, bijvoorbeeld bij het omgaan met regen, die een relatief hoge snelheid heeft, zegt Girard. "Het werkt eigenlijk beter hoe sneller je gaat, " hij zegt.

Naast het houden van ijs van vliegtuigvleugels, het nieuwe systeem kan een breed scala aan toepassingen hebben, zeggen de onderzoekers. Bijvoorbeeld, "waterdichte" stoffen kunnen verzadigd raken en gaan lekken wanneer water de ruimtes tussen de vezels opvult, maar wanneer behandeld met de oppervlakteringen, stoffen behielden hun vermogen om water langer af te voeren, en presteerde over het algemeen beter, zegt Girard. "Er was een verbetering van 50 procent door de ringstructuren te gebruiken, " hij zegt.