Физики превратили гидрофобную сетку в микрорассеиватель

Физики из США и Франции обнаружили, что с помощью гидрофобной сетки можно превращать падающую миллиметровую каплю воды в микроаэрозоль, который разлетается в разные стороны. Изменяя размер и число отверстий, а также скорость капли, можно управлять углом разлета микрокапель и их размером, а также долей капли, которая превратится в аэрозоль. В статье в Physical Review Fluids ученые пишут, что этот эффект может пригодиться для повышения эффективности полива в сельскохозяйственных работах, а также устройств, где используют аэрозоли, например распылителей краски или двигателей внутреннего сгорания.

Что сделает капля воды при падении на твердую поверхность — отскочит она от нее или прилипнет, сильно зависит не только от свойств поверхности, но и от размера и скорости самой капли. Возможность управлять этими параметрами — важное условие при разработке устройств, работа которых основана на использовании аэрозолей: двигателей внутреннего сгорания, сельскохозяйственных распылителей, газовых турбин или окрасочных пистолетов. Однако те методы, которые сейчас используют для распыления жидкости и с одновременным контролем микрометрового размера капель, их скорости и направления, достаточно сложны технически: они основаны на использовании поверхностных неустойчивостей, электрических полей или ультразвука.

Группа физиков из США и Франции под руководством Крипы Варанаси (Kripa Varanasi) из Массачусетского технологического института обнаружила, что превращать большие капли воды в маленькие и при этом точно контролировать их объем и направление движения можно значительно проще. Оказалось, что для этого достаточно с правильно подобранной скоростью запустить каплю в гидрофобную сетку, состоящую из большого числа небольших отверстий. Часть жидкости при этом остается на сетке сверху, а часть — пролетает сквозь нее, превращаясь в капли, по размеру соответствующие диаметру отверстий. При этом долю пролетевших капель, их объем и направление можно точно предсказать заранее.

Чтобы показать, что такой простой подход действительно работает, авторы работы сначала провели эксперимент с каплей, которая падает на плоскую горизонтальную пластину с единственным отверстием, по размерам значительно меньше диаметра капли. Оказалось, что при определенной скорости падения после контакта сквозь отверстие проходит струя жидкости, которая в какой-то момент отрывается от основного объема большой капли и превращается в новую каплю, значительно меньше изначальной. Объем, скорость и направление движения новой микрокапли при этом зависят от скорости падения изначальной капли, толщины пластины, размера отверстия и его положения. Чем дальше это отверстие от центра большой капли, тем на больший угол будет отклоняться образовавшаяся капля.

Этот эффект ученые решили использовать для распыления. Для этого каплю диаметром от 2 до 6 миллиметров ученые бросали не на поверхность с единственной дыркой, а на сетку, состоящую из множества квадратных микроотверстий размером в 10–100 раз меньше размера самой капли. Сетку ученые тоже расположили горизонтально, скорость капли в момент столкновения составляла от одного до четырех метров в секунду. Оказалось, что в такой конфигурации эксперимента часть большой капли проходит сквозь сетку, разделяясь на множество маленьких капелек, а часть — остается на сетке сверху. Пролетающие насквозь капли при этом формируют конус строго заданной формы.

При этом от скорости падения капель зависит и угол раствора конуса, на который разлетается аэрозоль после прохождения сетки. Чем больше скорость падения капли, тем шире будут разлетаться капли. Отношение массы воды, прошедшей сквозь сетку, к начальной массе большой капли больше всего зависит от соотношения ее диаметра и размера отверстия. Чем меньше это значение, тем больше жидкости превратится в аэрозоль. Правда, и капли при этом будут довольно большие.

Таким образом, ученые точно определили, как размер и количество капель зависит от параметров распылительной сетки. Использовать такую сетку ученые предлагают, например для полива растений — крупные капли дождя она может превращать в широкий аэрозоль, состоящий из микрокапелек. Таким образом можно увеличить орошаемую площадь и повысить эффективность использования пестицидов.

Ученые отмечают, что подобный подход можно использовать во всех устройствах, в которых необходимо получение мелкого аэрозоля, но могут быстро забиваться отверстия: сначала можно получать крупные капли, а затем с помощью таких гидрофобных сеток превращать их в широкий аэрозоль.

Из-за большого количества устройств, в которых используются аэрозоли, падающие капли часто становятся предметом интереса ученых. Например, недавно физики обнаружили, почему капля при падении на жидкую поверхность издает всем знакомый звук «кап-кап-кап». А до этого другая группа исследователей внимательно изучила форму полостей, которые образуются при падении капли в воду, и ввела для описания этого процесса новый безразмерный параметр — число матрешки.

Александр Дубов