Скользящая вода

Теорию супергидрофобного скольжения воды проверили экспериментом.

Каждый наверняка хоть раз видел капельки росы на лепестках и листьях растений, и задавался вопросом: почему вода не растекается, а «сидит» каплей? Это происходит благодаря тому, что поверхность листьев и лепестков гидрофобна, то есть отталкивает воду.

Степень гидрофобности определяется контактным углом между поверхностью и каплей, и при значении больше 150° поверхность считается супергидрофобной. Такие поверхности встречаются в природе: например, лист лотоса или крылья некоторых насекомых. Супергиброфобные свойства защищают поверхность от коррозии, загрязнения, оледенения и т. д.

Современные технологии позволяют сделать поверхность супергидрофобной с помощью специального напыления или рельефа поверхности, но нам нужно понимать, как ведёт себя жидкость при контакте с ней. Татьяна Низкая, Ольга Виноградова и их коллеги из МГУ разработали полуаналитическую теорию, которая описывает поведение жидкости вблизи супергидрофобной поверхности, и проверили её экспериментально.

Обычно поверхности «притягивают» жидкость за счёт электростатического притяжения между молекулами, которое называется силой Ван-дер-Ваальса. Оно зависит как от химического состава и рельефа поверхности, так и от состава жидкости и её вязкости, благодаря ему скорость течения жидкости вдоль поверхности может сильно отличаться от скорости течения в центре потока.

Вблизи супергидрофобных поверхностей течение жидкости обладает необычным свойством: его скорость не равна нулю даже в непосредственно примыкающем к стенке слое, то есть жидкость не притягивается, а проскальзывает вдоль поверхности. Это явление называется гидродинамическим скольжением. Его описали около двухсот лет назад, однако с тех пор им мало интересовались, поскольку гидродинамическое скольжение на практике не влияло на общий поток жидкости.

Ситуация значительно изменилась с появлением супергидрофобных материалов, в которых химическая гидрофобность поверхности сочетается с подходящим рельефом, например, тонкими канавками или микроколоннами. Вода «скользит» вдоль воздушных подушек, которые образуются в канавках, практически без сопротивления и не может «прилипнуть» к стенкам. Это значительно увеличивает так называемую длину скольжения – основную характеристику «прилипания» воды к поверхности.

Новые теории, разработанные для жидкости вблизи супергидрофобных поверхностей, позволяют предсказать не только скольжение, но и другие формы необычного поведения вблизи анизотропных поверхностей, с рельефом, направленным в определённую сторону. А здесь встречаются довольно интересные в практическом смысле эффекты. Например, вблизи стенки, покрытой вытянутыми канавками, которые направлены под углом к основному потоку, жидкость активно перемешивается за счёт того, что она меняет направление течения. Другой возможный эффект – разделение взвешенных в жидкости частиц по размеру.

Чтобы измерить длину скольжения жидкости вдоль неоднородной супергидрофобной поверхности, физики использовали атомно-силовой микроскоп (мы уже рассказывали о том, как он работает). Более того, им удалось проверить правильность теории, описывающей поведение жидкости на разных расстояниях от такой поверхности. В эксперименте зонд микроскопа опускал сферическую микрочастицу на супергидрофобную поверхность, погруженную в жидкость, причём скорость погружения оставалась постоянной. Можно было в одно и то же время с высокой точностью и отслеживать положение микросферы в канавке, и измерять силу, действующую на нее со стороны жидкости. Сопоставление теоретического описания и экспериментальной зависимости гидродинамической силы от расстояния до супергидрофобной поверхности позволило точно измерить длину скольжения.

По словам авторов, их результаты станут отправной точкой для разработки новых супергидрофобных систем. Теперь, когда можно положиться на теорию, физики могут «играть» с ранее предложенными теоретическими идеями, касающимися распределения частиц в супергидрофобных каналах, системам с электроосмотическим течением и пр. Результаты исследования опубликованы в журнале Soft Matter.