Veel natuurlijke oppervlakken kunnen snel waterdruppels afgeven vanwege hun waterafstotende werking. In 1945, wetenschappers Cassie en Baxter koppelden de waterafstotende functie van natuurlijke oppervlakken aan hun oppervlaktetexturen. Het gebruik van texturen met een lage vaste fractie (aangeduid met Φ _s ) is daarom een ​​sleutelprincipe bij het ontwerpen van waterafstotende oppervlakken. In dit werk, Lin Wang en een team van wetenschappers in materiaalkunde, biomedische technologie en werktuigbouwkunde aan de Pennsylvania State University, De VS hebben de contacttijd van stuiterende druppeltjes op oppervlakken met een hoge vaste fractie (d.w.z. Φs ~ 0,25 tot 0,65) verminderd door de oppervlaktetextuur te verkleinen tot nanoschaal. Ze toonden aan hoe oppervlakken met een hoge vaste fractie met een textuurgrootte van minder dan 100 nanometer de contacttijd van stuiterende druppels met ongeveer 2,6 milliseconden (ms) konden verminderen in vergelijking met een textuurgrootte van meer dan 300 nm. De textuur- en grootte-afhankelijke reductie van de contacttijd die wordt waargenomen op vaste oppervlakken is een eerste in-studie resultaat in vergelijking met bestaande theorieën over de bevochtigbaarheid van oppervlakken. Wang et al. schreef de vermindering van druppelcontact op nanoschaaloppervlakken toe aan de dominante driefasige contactlijnspanning. Op basis van drukstabiliteitsexperimenten, het team liet verder zien hoe vaste oppervlaktefracties bio-geïnspireerd waren door insecten die bestand zijn tegen de impact van regendruppels. De resultaten zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Oppervlakken op nanoschaal hebben verschillende rollen in biologische organismen die van belang zijn voor de overleving van insecten, voorbeelden zijn antireflectie-eigenschappen van mottenogen, anticondens eigenschappen van muggen, zelfreinigende technieken van cicade en anti-biofouling van libellen. Het snel loslaten van regendruppels op vliegende insecten is ook van cruciaal belang voor hun overleving. Bijvoorbeeld, de impactduur van regendruppels op muggen was ongeveer 0,5 tot 10 ms; een tijdsbestek van gecombineerde actieve en passieve druppelafscheidingsmechanismen. Planten en vlindervleugels kunnen ook microschaalpatronen behouden om de impact van druppeltjes in kleinere stukjes te breken om de contacttijd van de druppeltjes te verminderen. Echter, materiaalwetenschappers moeten nog steeds begrijpen hoe de hoge vaste fractie en nanoschaaltexturen van waterafstotende insectenoppervlakken ervoor kunnen zorgen dat regendruppels bij impact snel loskomen. Om textuurgrootte-effecten en vloeistof-vaste stof interacties te onderzoeken, Wang et al. een reeks bio-geïnspireerde, insectachtige getextureerde oppervlakken, bedekte ze met een silaanmonolaag om hydrofobiciteit van het oppervlak te induceren (waterhatende aard) en voerde een reeks experimenten uit.

Tijdens de experimenten, het team handhaafde de Cassie-Baxter-toestand (heterogene oppervlaktebevochtiging) met de testvloeistofdruppels en vergeleek de contacttijd van stuiterende waterdruppels op gestructureerde oppervlakken. Oppervlakken met een textuurgrootte kleiner dan 300 nm vertoonden een verminderde contacttijd voor stuiterende druppels. De textuurgrootte-afhankelijke vermindering van druppelcontact op vaste oppervlakken was een eerste studie in vergelijking met bestaande theorieën over oppervlaktebevochtiging.

In theorie, de contacttijd kan worden voorspeld ten opzichte van de dichtheid en oppervlaktespanning van water. Toen een vloeistofdruppel een gestructureerd oppervlak raakte, het verspreidde zich tot een maximale diameter en trok zich terug van het oppervlak, net als een 'vloeibare veer'. de vloeistof-lucht grensvlakspanning van de druppel domineerde de veerconstante van de vloeistofveer. Ondertussen konden eventuele bijdragen van vloeistof-vaste stof interacties worden genegeerd. Echter, wetenschappers konden de interacties tussen vloeistof en vaste stof niet negeren op gestructureerde oppervlakken met een hoge vaste fractie, waar Φ _s gelijk aan 0,44, vanwege extra energie als gevolg van de vorming van driefasige contactlijnen onder de druppeltjes om hun stuiterende energieën te beïnvloeden. Voor deze, Wang et al. beschouwd als de driefasige contactlijnspanning (τ), voor het eerst geïntroduceerd door Gibbs in de jaren 1870, waarbij de experimentele metingen van τ afhankelijk waren van het specifieke systeem dat werd onderzocht.

Kinematica van stuiterende druppels op gestructureerde oppervlakken en de drukstabiliteit van oppervlakken

Om meer inzicht te krijgen in de vermindering van de contacttijd van druppeltjes die op nanoschaaloppervlakken inwerken, Wang et al. onderzocht de kinematica van stuiterende druppels op basis van verspreidings- en terugtrekprocessen. Hoewel de snelheden van druppelverspreiding op verschillende oppervlakken vergelijkbaar waren, tijdens de fase van terugtrekking, druppeltjes duurden langer om volledig terug te trekken van oppervlakken met hogere vaste fracties. Het werk toonde aan hoe een verhoogde dikke fractie daarom de terugtrektijd verhoogde. Bijvoorbeeld, een druppel op een superhydrofoob zwart siliciumoppervlak zou zich met een constante snelheid kunnen terugtrekken zodat druppeltjes zich in het snelst mogelijke tempo kunnen terugtrekken. Onverwacht, daarom, Wang et al. opgemerkt superhydrofoob stuitergedrag op 100 nm oppervlaktestructuren met een vaste fractie van 0,44

Om de uitkomst te begrijpen, de wetenschappers ontwikkelden vervolgens een methode om de hysterese van de contacthoek te kwantificeren door systematisch de voortschrijdende en terugtrekkende contacthoek op gemanipuleerde oppervlakken te meten. Oppervlakken met een hogere vaste fractie hadden een vertraagde terugtrekking van druppeltjes, met name afwijkend van het beoogde superhydrofobe stuitergedrag. Het was daarom interessant om te begrijpen waarom waterafstotende insectenoppervlakken geen texturen aannamen met een lagere vaste fractie om water effectiever te verwijderen. Voor deze, Wang et al. onderzocht de drukstabiliteit van getextureerde oppervlakken tegen botsende druppeltjes wanneer waterdruppels die op een vast oppervlak botsen, twee manieren van impactdrukken ondergingen. De eerste modus was waterslagdruk op het vloeistof-vastestof contactoppervlak en de tweede modus was dynamische druk in de verspreidingsfase. Het team toonde daarom aan dat een hoge vaste fractie een belangrijke vereiste is voor insecten om de impactdruk van regendruppels te weerstaan ​​om ze volledig af te werpen.

Op deze manier, Lin Wang en collega's lieten voor het eerst zien hoe texturen op nanoschaal op hoge vaste oppervlakken de contacttijd van stuiterende druppels voor het eerst verminderden. De bevindingen onthulden een ongekende strategie om de contacttijd van stuiterende druppels op vaste oppervlakken te verminderen. Het team bereikte superhydrofoob stuitergedrag op oppervlakken met een hoge vaste fractie (Φ _s =0,44) met een textuurgrootte op nanoschaal van ongeveer 100 nm. De bevindingen werpen licht op hoe insecten ontsnappen aan de snelle impact van regendruppels. De studie levert experimenteel bewijs voor de noodzaak van texturen met een hoge vaste functie om de impactdruk van regendruppels tegen te gaan. Technisch gezien, een compact gestructureerd materiaal op nanoschaal dat hoge snelheidsimpact van vloeistofdruppels kan afstoten met een kortere contacttijd, zal een reeks toepassingen hebben bij het faciliteren van aangroeibestendige persoonlijke beschermingsmiddelen, voor vliegende robots ter grootte van een insect en in geminiaturiseerde drones.

© 2020 Wetenschap X Netwerk