In vielen Situationen, Ingenieure möchten, minimieren Sie den Kontakt der Tropfen mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten mit Oberflächen, die Sie fallen auf. Ob das Ziel ist, halten Sie Eis aus dem Aufbau in einem Flugzeug-Flügel oder eine wind-turbine-Klinge, oder verhindert Wärmeverlust von der Oberfläche bei Regen oder Verhinderung Salz Anhaftungen auf Oberflächen ausgesetzt, ocean spray, wodurch Tröpfchen bounce Weg, so schnell wie möglich und minimieren die Menge an Kontakt mit der Oberfläche kann der Schlüssel zu halten die Systeme ordnungsgemäß funktionieren.
Nun, eine Studie von Forschern am MIT zeigt einen neuen Ansatz auf die Minimierung der Kontakt zwischen Tropfen und Oberflächen. Während frühere versuche, darunter auch von Mitgliedern der gleichen Mannschaft, konzentrieren sich auf die Minimierung der Menge an Zeit, die das Tröpfchen verbringt in Kontakt mit der Oberfläche, die neue Methode, anstatt sich auf die räumliche Ausdehnung der Kontakt, versuchen, zu minimieren, wie weit ein Tropfen breitet sich aus, bevor Sie wieder abspringen.
Die neuen Erkenntnisse sind beschrieben in der Zeitschrift ACS Nano in einer Studie von MIT-Absolvent Henri-Louis Girard, postdoc Dan Soto und professor für Maschinenbau Kripa Varanasi. Der Schlüssel für den Prozess, erklären Sie, ist die Schaffung einer Reihe von erhöhten ring Formen auf das material der Oberfläche, die Ursache der fallenden Tröpfchen zu splash nach oben in eine Schüssel-förmigen Muster anstelle des fließenden flach über die Oberfläche.
Die Arbeit ist ein follow-up zu einem früheren Projekt von Varanasi und sein team, in dem Sie in der Lage waren, den Kontakt zu reduzieren Zeit von Tröpfchen auf einer Oberfläche durch anlegen von erhabenen rippen auf der Oberfläche, die zu Störungen in der Streubild von aufprallenden Tropfen. Aber die neue Arbeit nimmt diese weiter, um eine viel größere Reduzierung in der Kombination aus Kontaktzeit und Kontaktfläche eines Tropfens.
Um zu verhindern, dass das Sahnehäubchen auf einem Flugzeug-Flügel, zum Beispiel, ist es unerlässlich, um die Tröpfchen der Auswirkungen auf Wasser zu hüpfen Weg in weniger Zeit als es dauert, für das Wasser zu gefrieren. Der frühere gezahnte Oberfläche war erfolgreich bei der Verringerung der Kontakt mit der Zeit, aber Varanasi sagt: „seitdem wir fanden, dass es eine andere Sache, die hier im Spiel“, das ist, wie weit der Tropfen breitet sich aus, bevor Sie erholt und abprallen. „Die Reduzierung der Kontaktfläche des aufprallenden Tropfens sollten, haben auch einen dramatischen Einfluss auf die übertragung der Eigenschaften der Interaktion,“ Varanasi sagt.
Das team begann eine Reihe von Experimenten, die zeigten, dass Ringen der genau die richtige Größe, bedecken die Oberfläche, würde dazu führen, das Wasser breitet sich von einem Aufschlagenden Wassertropfen Spritzen nach oben statt, Sie bilden eine kugelförmige splash, und dass die Winkel, die nach oben Spritzen gesteuert werden können, durch einstellen der Höhe und Profil an die Ringe. Wenn die Ringe zu groß oder zu klein im Vergleich zu der Größe der Tröpfchen, das system wird weniger effektiv oder funktionieren überhaupt nicht, aber wenn die Größe stimmt, der Effekt ist dramatisch.
Es stellt sich heraus, dass die Verringerung der Kontakt mit der Zeit allein nicht ausreichen, um die größte Reduktion in Kontakt; es ist die Kombination der Zeit und den Bereich der Kontakt, der ist kritisch. In einem Diagramm mit der Zeit der Kontakt auf einer Achse, und die Kontaktfläche auf der anderen Achse, was wirklich zählt, ist die Gesamtfläche unter der Kurve -, das Produkt der Zeit und den Umfang des Kontakts. Das Gebiet der Verbreitung wurde „war eine weitere Achse, die niemand berührt hat“ in der bisherigen Forschung, Girard sagt. „Als wir angefangen haben, so zu tun, sahen wir eine drastische Reaktion,“ die Reduzierung der Gesamtzeit-und-Fläche-Kontakt des Tropfens von 90 Prozent. „Die Idee der Reduzierung der Kontaktfläche durch die Bildung ‚waterbowls‘ hat weit größere Auswirkungen auf die Verringerung der gesamten Interaktion als durch die Reduzierung Kontaktieren Sie die Zeit allein,“ Varanasi sagt.
Als die Tropfen anfängt, um sich auszubreiten in den erhabenen Kreis, sobald Sie auf den Kreis, der die Kante beginnt es zu lenken. „Seine Dynamik ist nach oben umgeleitet,“ Girard sagt, und obwohl es endet die Verbreitung nach außen so weit wie es hätte anders, es ist nicht mehr auf der Oberfläche, und daher nicht die Abkühlung der Oberfläche aus, oder führt zu Vereisung, oder die Poren zu verstopfen auf eine „Wasserdichte“ Stoff.
Die Ringe selbst können auf verschiedene Weise hergestellt werden und aus unterschiedlichen Materialien, die Forscher sagen-es ist nur die Größe und der Abstand zählt. Für einige tests, die Sie verwendet, Ringe 3-D gedruckt auf einem Substrat, und für andere, die Sie verwendet, eine Oberfläche mit einem Muster erstellt durch einen ätzprozess, ähnlich dem in der Mikrochip-Herstellung. Die anderen Ringe waren durch computer-gesteuerte Fräsen von Kunststoff.
Während höhere Geschwindigkeit Tröpfchen schlägt in der Regel kann mehr schädlich für die Oberfläche, die mit diesem system der höheren Geschwindigkeiten, die tatsächlich zur Verbesserung der Effektivität der Umleitung, clearing, noch mehr von der Flüssigkeit, als bei langsameren Geschwindigkeiten. Das sind gute Nachrichten für praktische Anwendungen, zum Beispiel im Umgang mit Regen, die relativ hohe Geschwindigkeit, Girard sagt. „Es funktioniert tatsächlich besser, je schneller Sie fahren“, sagt er.
Zusätzlich zu halten das Eis aus Flugzeug-Tragflächen, das neue system hätte eine Vielzahl von Anwendungen, sagen die Forscher. Zum Beispiel, „wasserdicht“ Stoffe können gesättigt und beginnt zu lecken, wenn das Wasser füllt die Zwischenräume zwischen den Fasern, aber wenn behandelt, mit der Oberfläche der Ringe, Stoffe behielten Ihre Fähigkeit, um Wasser zu vergießen, und länger und besser abgeschnitten insgesamt Girard sagt. „Es war eine 50-prozentige Verbesserung durch die Verwendung der ring-Strukturen“, sagt er.
Die Forschung wurde unterstützt, indem MIT Deshpande Center for Technological Innovation.