Физики поняли, как «полосатая» гидрофобность меняет течение жидкости

Уникальные характеристики супергидрофобных поверхностей, благодаря которым удается управлять движением жидкости в микроканалах и многократно усиливать эффективность течений в них, можно описать при помощи нескольких простых геометрических параметров. Таков результат работы команды теоретиков из ИФХЭ РАН и МГУ под руководством Ольги Виноградовой. Статья, в которой описывается поведение жидкости вблизи «полосатых» супергидрофобных текстур, опубликована в журнале Physical Review Fluids.

Супергидрофобностью характеризуются материалы с минимальным «сродством» с водой. На таких поверхностях вода не растекается, а собирается в капли. Например, вода не смачивает лист лотоса, а на специальных текстурированных материалах даже в сложных погодных условиях не скапливаются ни лед, ни снег, ни различные загрязнения. Еще одним важным свойством супергидрофобных текстур являются их превосходные «смазочные» характеристики: стенки микроканалов и капилляров, изготовленные из таких материалов, становятся очень скользкими, снижая вязкое сопротивление и даже качественно видоизменяя течение. Все эти свойства связаны с тем, что супергидрофобные текстуры захватывают пузырьки газа, образуя газовую «подушку», по которой и скользит жидкость.

Течения в каналах с супергидрофобными стенками уже изучались экспериментально. Оказалось, что, изменяя форму и геометрические параметры текстур: глубину, ширину и форму канавок, углы наклона и поворота стенок — можно управлять движением жидкости и даже помещенных в нее частиц. Однако сложность такой системы ограничивала возможности ее теоретического описания, и физикам удалось создать лишь ряд упрощенных моделей. Например, заключенные в канавках пузырьки газа считались однородно скользкими участками или даже областями без трения. Такие модели давали приближенное описание экспериментальных данных, но не позволяли полностью объяснить картину течения, а главное, связать его с рельефом супергидрофобной поверхности.

Для описания того, что происходит на границе контакта жидкости, текущей по каналу, и пузырьков газа, заключенных в «полосатой» супергидрофобной текстуре, авторы новой работы использовали асимптотическую теорию, а также новый итерационный метод, в котором движение жидкости рассчитывалось методом рядов Фурье, а течение в газе — с помощью мезоскопического компьютерного моделирования.

Авторам удалось понять, как именно геометрия текстуры повлияет на характер течения жидкости по газовым участкам. Так, физики показали, что для достаточно глубоких канавок любой формы скольжение воды оказывается максимальным и от глубины канавок не зависит, а определяется лишь их шириной и углами скоса стенок в точке контакта жидкости, газа и самой текстуры. Напротив, если канавки текстуры сделать мелкими, скольжение будет определяться лишь их глубиной. При этом вдоль газовых «полосок» вода всегда скользит намного сильнее, чем поперек их.

На основании этих данных ученые сформулировали ключевые принципы, определяющие поведение жидкости вблизи «полосатых» поверхностей. В будущем это позволит точнее предсказывать, как именно должны выглядеть стенки каналов для той или иной системы — будь то микрофлюидное устройство для анализа биологических образцов или химический реактор для направленного синтеза — с учетом всех экспериментальных требований и особенностей.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.