Fyysikot onnistuivat selittämään tuntemattoman voiman, joka kiskoo vesipisaroita huippuliukkailla pinnoilla

• Gavin Pugh
• Minna Tiainen

"Veden ja pinnan vuorovaikutusta tarkasteltaessa näemme yleensä kolmenlaista voimaa: kiinteän pinnan ja veden välistä kitkaa, sekä virtauksen- ja ilmanvastusta. On kuitenkin vielä neljäs voima, joka syntyy pisaroiden liikkeestä mustan piin kaltaisilla ultraliukkailla pinnoilla. Pisaran liike synnyttää paineistavan vaikutuksen alapuolella olevaan ilmaan, mikä taas aiheuttaa pisaraan kohdistuvan vastuksen kaltaisen voiman - aivan kuin renkaan kokema vierintävastus kasvaa sen liikkuessa pehmeän maaston tai lumen päällä", Backholm kertoo.

Yllättäen juuri se mekanismi, joka tekee superhydrofobisista pinnoista erityisen liukkaita, aiheuttaa myös Backholmin havainnoissa kuvatun vastusvoiman.

"Erittäin liukkaita pintoja on tyypillisesti tehty lyhentämällä kartioita, jotta ne olisivat mahdollisimman pieniä. Kukaan ei ole pysähtynyt huomaamaan, että hei, me itse asiassa työskentelemme itseämme vastaan. Todellisuudessa mitä enemmän kartioita mustassa piipinnassa on, sitä suurempi on ilman puristumisesta johtuva vaikutus", Backholm sanoo.

Tutkimustulokset julkaistiin juuri arvostetussa Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä. Ne syntyivät Backholmin työskennellessä tutkijatohtorina professori Robin Rasin vetämässä Soft Matter and Wetting -tiimissä.

"Tämä työ pohjaa tutkimusryhmämme laajaan asiantuntemukseen superhydrofobisten pintojen alalla. Harvoin tarjoutuu tilaisuus selittää täysin veden dynamiikkaan liittyvien mikroskooppisten voimien hienouksia, mutta tässä työssä onnistutaan juuri siinä", Ras kiittelee.

Tarvitaan uudenlainen tapa rakentaa ultraliukkaita pintoja

Hydrofobisia materiaaleja käytetään muun muassa liikenteen aerodynaamisissa pinnoissa, lääketeollisuuden laitteissa ja muissa nestettä hylkivissä ja steriileissä pinnoissa.

"Tulokset tarkoittavat sitä, että meidän on mietittävä uudelleen tapa, jolla suunnittelemme erittäin liukkaita pintoja", Backholm toteaa.

Backholmin ja yhteistyökumppaneiden ratkaisu oli tehdä yhdistelmä korkeita pilareita ja matalia kartioita piipinnalla. Pilarien ansiosta ilmalle jää tilaa liikkua pisaran ja pinnan välissä, kun taas kartiot tuovat tarvitun liukkauden, ja lopputuloksena vesi saatiin liukumaan vieläkin pienemmän kosketuspinta-alan yli, ja ilman puristava vaikutus väheni merkittävästi.

Tutkijat ovat myös kehittäneet ainutlaatuisen mikropipettimittaustekniikan mittaamaan vesipisaroihin kohdistuvia voimia. Backholm on jo aiemmin käyttänyt tekniikkaa mesoskooppisten katkarapuparvien uintikäyttäytymisen tarkkailuun ja kasvien juurten kasvun mittaamiseen.

Backholm toivoo, että tuoreen tutkimuksen havainnot auttavat fyysikoita ja insinöörejä kehittämään entistä suorituskykyisempiä hydrofobisia pintoja.

Artikkeli:

Matilda Backholm, Tytti Kärki, Heikki A. Nurmi, Maja Vuckovac, Valtteri Turkki, Sakari Lepikko, Ville Jokinen, David Quéré, Jaakko V.I. Timonen, Robin H.A. Ras, Toward vanishing droplet friction on repellent surfaces, Proceedings of the National Academy of Sciences, 10.1073/pnas.2315214121 (2024).

Lue lisää:

Lue lisää uutisia