Ученые научили капли воды прыгать на супергидрофобном «батуте»

Группа ученых из швейцарской высшей технической школы Цюриха изучала взаимодействие водяных капель с супергидрофобными поверхностями при низких давлениях и обнаружила эффект самоочищения поверхности от капель воды. Этот процесс происходит вследствие явлений, которые авторы назвали спонтанной левитацией и «эффектом трамплина». Результаты работы опубликованы в Nature.

Ученые с помощью высокоскоростных камер изучали поведение капель радиусом около одного миллиметра, расположенных на супергидрофобной подложке, по мере понижения давления. Подложка представляет кремниевые микростолбики, которые были получены литографически. Оказалось, что при понижении давления до величины 0,01 бар (примерно одна сотая от атмосферного давления), капли начинают самопроизвольно подпрыгивать на поверхности с увеличением амплитуды прыжков.

Для объяснения эффекта исследователи использовали инфракрасную камеру, измеряющую температуру капель. Усиление испарения воды приводит к охлаждению капли ниже температуры замерзания (образуется переохлажденная жидкость), которая затем быстро нагревается благодаря выделению скрытой теплоты фазового перехода жидкость-лёд. Нагревание происходит в течение нескольких миллисекунд и приводит ко взрывному испарению жидкости, вследствие чего капля подпрыгивает на поверхности (этот эффект носит название рекалесценции). Испарение вновь приводит к охлаждению капли, и процесс повторяется циклически.

Аналогично работает известный эффект Лейденфроста, позволяющий засовывать мокрую руку в расплавленный свинец или поливать ее жидким азотом. В этих случаях ткани руки защищены от теплового воздействия прослойкой газа, обладающей низкой теплопроводностью. Авторы предполагают, что использование подобных материалов поможет бороться с обледенением крыльев самолетов или проводов.

Евгений Анохин