Физики заметили влияние электростатики на скольжение капель

Физики исследовали скольжение капель воды по наклонным гидрофобным поверхностям из различных материалов. Они экспериментально и теоретически доказали, что на движение капель может существенно влиять неучтенное ранее электростатическое взаимодействие между зарядами в капле и подложке. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Движение капель по поверхности — это обыденный процесс, сопровождающий практически все, что связано с водой. Тем не менее это движение подчиняется сложному балансу разнообразных физических сил. Его понимание было бы полезно для самого разного спектра прикладных задач. Например, инженеры уже научились создавать поверхности, которые эффективно отталкивают воду или жиры. Для нанесения различных покрытий или осаждения инсектицидов и гербицидов, напротив, требуется высокое сопротивление капель движению.

Однако наиболее требовательной к хорошей теории оказалась технология генерации электричества за счет дождевых капель. Это прямая форма сбора гидроэлектрической энергии без использования движущихся частей. Предполагается, что ее можно будет применять для маломощной нагрузки в отдаленных и автономных районах или в аварийных генераторах. Но плохое понимание физики движущихся капель пока ограничивает эффективность такого источника электроэнергии.

Группа физиков из Германии и Китая под руководством Ханса-Юргена Бутта (Hans-Jürgen Butt) из Института полимеров Общества Макса Планка попыталась лучше разобраться в процессах движения капель по поверхности. Проведя большую теоретическую и экспериментальную работу, они выяснили, что учета только лишь вязкой диссипации и динамической контактной активации недостаточно для объяснения наблюдаемых закономерностей. Ученые обнаружили, что на движение капель на подложках с низкой диэлектрической проницаемостью существенное влияние оказывают электростатические силы.

Вязкая диссипация, то есть рассеивание энергии, происходит из-за наличия гидродинамических потоков внутри капли. Баланс этих потоков и сил слегка наклоняет каплю, из-за чего действие капиллярных сил начинает зависеть от ее скорости. Активацией же называют процессы, во время которых линия контакта капли с поверхностью должна преодолевать локальные энергетические барьеры. Из-за них движение медленной капли имеет прерывистый характер.

Авторы провели серию экспериментов, в ходе которых скатывали капли воды по различным наклонным поверхностям. Они обнаружили, что на поверхностях с одинаковым химическим составом, но разной проводимостью и толщиной, капли имеют различную скорость. Кроме того, скорость скольжения капли оказалась зависящей от того, какая она по счету в серии скатываний. Другими словами, важную роль здесь играет история поверхности. Такое поведение могло бы быть объяснено взаимодействием разноименных зарядов, возникающих в капле и на поверхности, где она прошла.

Чтобы проверить эту гипотезу, физики изготовили подложки из материалов с различной диэлектрической проницаемостью (кремний и диоксид кремния) и различной толщины (несколько нанометров или несколько миллиметров) и покрыли их гидрофобными материалами, в частности, перфтороктадецилтрихлорсиланом (PFOTS), а обратную сторону заземлили. Так, скорость капель на подложке из двухнанометрового слоя кремния, покрытого PFOTS, была одинаковой вдоль всей траектории скатывания для всех капель серии. Когда такое же покрытие нанесли на миллиметровые пластинки диоксида кремния, зависимость скорости капель от пройденного расстояния и от номера в серии стала сложной.

Предполагая, что оба случая отличаются лишь электростатическими свойствами поверхности, физики извлекли из сравнения этих экспериментов величину дополнительной силы. Оказалось, что, если для самых первых капель эта сила падает с расстоянием, то для последующих капель тренд меняется на противоположный: сила мала в начале пути и растет ближе к концу. Опираясь на объяснение, основанное на свободных зарядах, авторы построили теоретическую модель, где неизвестными параметрами были функции распределения заряда в подложке от расстояния. Для их определения физики дополнительно измеряли заряды капель по мере движения по подложкам.

Полученная из моделирования зависимость силы от расстояния для разных капель оказалась в качественном согласии с результатом эксперимента. Остающиеся несоответствия могли бы быть объяснены наличием дополнительного отрицательного заряда, который возникает при падении капли на наклоненную подложку в начале опыта. 

Авторы повторили эксперимент для других комбинаций материалов. Так, в качестве подложки они использовали золото, а в качестве покрытий полистирол, тефлон, полидиметилсилоксан и перфтордекантиол. В ряде случаев зависимость силы от расстояния и порядка капли оказывалась сложнее и требовала более детального теоретического анализа. Физики отмечают, что электростатика могла бы также объяснить то, почему капли воды по-разному ударяются и отскакивают от различных поверхностей.

Чтобы добиться воспроизводимости в проведенных экспериментах, авторы убеждались, что свойства их подложек не изменяются даже после падения на них тысячи капель. И все же, если бы капель было существенно больше, поверхность рано или поздно начала бы разрушаться. Недавно мы рассказывали про исследование, которое разобралось в тончайшей механике этого процесса.

Марат Хамадеев