Скольжение с максимальной точностью

Международному коллективу ученых под руководством профессора физического факультета МГУ Ольги Виноградовой впервые удалось точно описать поведение жидкости вблизи супергидрофобной поверхности и проверить полученные аналитические выражения в эксперименте. Новое исследование опубликовано в журнале Soft Matter.

Вблизи некоторых поверхностей течение жидкости обладает необычным свойством: его скорость не равна нулю даже в непосредственно примыкающем к стенке слое (то есть жидкость не прилипает, а проскальзывает вдоль поверхности). Этот эффект называется гидродинамическим скольжением и был впервые описан более двухсот лет назад, однако с тех пор привлекал мало внимания, так как не оказывал никакого значимого влияния на общий поток жидкости.

Ситуация значительно изменилась с появлением супергидрофобных материалов, в которых химическая гидрофобность поверхности сочеталась с необычным рельефом (например, бороздками, микроколоннами). В канавках таких текстур оставались пузырьки воздуха, по которым жидкость могла проскальзывать практически без сопротивления, что значительно увеличивало длину скольжения.

Сложные супергидрофобные поверхности потребовали создания новых гидродинамических теорий для их описания. Новые подходы предсказывали не только снижение вязкого сопротивления, но и необычное поведение жидкости вблизи некоторых анизотропных (то есть имеющих свойства, которые зависят от направления) поверхностей. Например, вблизи стенки, покрытой протяженными канавками, направленными под углом к основному потоку, жидкость могла поворачиваться в сторону, вызывая активное перемешивание или разделение погруженных в нее частиц по размеру.

Команда исследователей из МГУ имени М.В. Ломоносова и ИФХЭ РАН в последние годы разрабатывала теорию гидродинамического скольжения вблизи анизотропных супергидрофобных поверхностей, однако до сих пор в эксперименте эти теории удавалось проверить лишь косвенно. В новой работе благодаря использованию атомно-силового микроскопа ученые смогли не только точно определить длину скольжения, но и проверить аналитические формулы, описывающие поведение жидкости на разных расстояниях от супергидрофобной поверхности.

Использование микроскопа позволило с постоянной скоростью опускать сферическую микрочастицу на супергидрофобную поверхность, погруженную в жидкость. При этом экспериментатор мог одновременно с высокой точностью отслеживать положение сферы в канале, а также измерять силу, действующую на нее со стороны жидкости. Авторы получили точное теоретическое решение для данного процесса, на основе чего удалось измерить длину скольжения из экспериментальной зависимости гидродинамической силы от высоты над супергидрофобной поверхностью.

По словам авторов, результаты послужат отправной точкой для разработки новых супергидрофобных систем. Теперь, когда точность предложенных теорий больше не вызывает сомнений, ученые получили возможность использовать многие теоретические идеи, полученные ранее. Среди них разделение частиц в супергидрофобных каналах, системы с электроосмотическим течением и многое другое.

Автор — Тарас Молотилин