Все мы замечали, как капли воды иногда скатываются с ветвей растений или автомобильного стекла, а порой застывают на поверхности, оставляя след. В этом кажущемся простом явлении скрыта удивительно сложная физика, которую недавно подробно изучила команда исследователей под руководством Джейми Маклоклана из Университета Бата. Их работа предложила свежий взгляд на то, что определяет поведение капель при столкновении с водоотталкивающей поверхностью, и результаты оказываются не только интересными, но и весьма обнадёживающими для ряда сфер применения.
Гидрофобность: природа и технология
Гидрофобность — это способность поверхности не смачиваться водой, то есть «отталкивать» капли жидкости. Ярчайший природный пример — лист лотоса, покрытый крошечными пирамидами, по которым вода катается шариками и не задерживается. Утки защищают перья с помощью жировой смазки, а фрукты, такие как яблоки и сливы, запечатаны природным воском. Благодаря этим наблюдениям люди научились создавать гидрофобные покрытия для техники, стекол автомобилей и даже одежды, часто используя такие материалы как тефлон или особые кремниевые наносферы.
Критическая роль скорости и размера капли
До недавнего времени считалось, что успех отталкивающего покрытия зависит лишь от степени его гидрофобности или от параметров самой жидкости. Однако исследования Джейми Маклоклана и его коллег радикально изменили это представление. Они доказали, что решающим является вовсе не состав поверхности, а скорость падения капли. Именно этот фактор определяет, будет ли поверхность реально сухой или же вода задержится на ней.
Интересно, что возможность капли “отскочить” от водоотталкивающей поверхности сохраняется только в очень узком диапазоне скоростей. Если скорость слишком мала — капля остаётся на поверхности. Если слишком велика — прилипает по той же причине. Лишь в так называемой “зоне Златовласки”, когда импульс достаточен, чтобы преодолеть силы сцепления, но не настолько велик, чтобы вернуть каплю вниз, происходит чистый отскок.
От тефлона до кремниевых наносфер: эксперименты в деталях
Для экспериментов ученые выбрали три типа покрытий: тефлон, обычное стекло и стекло, обработанное слоем кремниевых наносфер. Последнее покрытие было легко нанести при помощи популярного бытового «антидождя» для зеркал и стёкол автомобилей, что делает этот подход особенно привлекательным и простым для внедрения в быт и промышленность.
В качестве жидкостей исследователи применяли деионизированную воду, раствор глицерина и раствор хлорида кальция — таким образом, спектр условий был весьма широкий. При помощи сверхскоростных камер, фиксирующих до 100 000 кадров в секунду, специалисты наблюдали за каплями диаметром 30–50 микрометров, падающими со скоростью вплоть до 10 метров в секунду.
Модель поведения: новые границы и оптимистичные выводы
Для кристальной ясности картины был создан теоретический макет, в котором смешиваются показатели сцепления, вязкости, поверхностного натяжения и инерции. Благодаря этому исследованию стало очевидно: отскок капли возможен только в случае точного баланса всех этих сил. Более того, для каждой жидкости и покрытия существует минимальный размер — для тефлона граница составляет диаметр 25 микрометров: капли меньшего размера просто не могут оторваться от поверхности.
Команда пришла к воодушевляющему выводу: на идеально гидрофобных покрытиях теоретически возможен отскок при любой скорости, чего пока не удается достичь в реальных условиях из-за микроскопических неровностей. Всё же на практике прогнозируемое окно скоростей сохраняется и легко рассчитывается, что даёт мощный инструмент для оптимизации производства и технологий.
Прагматичные и вдохновляющие применения
Открытие перспективно для многих сфер. К примеру, в полиграфии можно добиться более устойчивого переноса красителей на глянцевые поверхности, а фермеры смогут подобрать оптимальные пестицидные растворы, которые не будут скатываться с листьев — просто подбирая правильные параметры обработки. Строители — создавать устойчивые к влаге фасады и стекла без лишних затрат на сверхдорогие материалы.
Ученые убеждены: несмотря на пересмотр классических взглядов, разработка и усовершенствование гидрофобных покрытий продолжает оставаться актуальной задачей. Каждый новый шаг в этом направлении открывает людям возможность сделать нашу среду ещё удобнее, чище и долговечнее. Эффективная борьба с влагой важна и в быту, и в высокотехнологичном производстве, а полученные знания помогают двигаться вперёд с оптимизмом — ведь совершенствование технологий идёт рука об руку с открытиями в фундаментальной науке.
Современный взгляд на простую воду
Работы Джейми Маклоклана на базе Университета Бата ещё раз доказывают: даже в привычных явлениях скрывается глубочайшая физика, способная дать толчок новым технологиям. Растущий интерес к поверхностным явлениям, таким как взаимодействие с тефлоном и кремниевыми наносферами, обещает внедрение инноваций в нашу повседневную жизнь и промышленность уже в ближайшие годы. Оптимизм научного поиска вдохновляет создавать более устойчивые, практичные и долговечные решения для самых разных задач.
