Повітряна мастила перетворює ідеально шершаву поверхню на аномально гладку

Електронна мікрофотографія структури поверхні, створеної в UCLA (фото з сайту www.aip.org)

У Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі (UCLA) розроблена поверхня, що надає надзвичайно низький опір поточній по ній рідині. Щоправда, в це важко повірити, глянувши на рельєф поверхні, що нагадує поступки фантастичних скелястих гір.

Сам по собі принцип, покладений в основу розробки, не є принципово новим. Він полягає в тому, що навіть найбільш гладко відшліфована поверхня набагато поступається за якістю межі розділу повітря — вода. Тому тонкий повітряний прошарок над твердою поверхнею є найкращою можливою мастилою. З цим погодиться всякий, хто грав у настільний повітряний хокей, в якому пластикова шайба ковзає по столу на повітряній подушці.

Щоб оточити занурену у воду тверду поверхню повітряною оболонкою, розробники зробили її гідрофобною, тобто водовідштовхувальною, і піддали спеціальній обробці, створивши на ній величезну кількість мікроскопічних гострих виступів. До рівної гідрофобної поверхні вода все ж змушена прилягати впритул, але ось затікати у вузькі ущелини між виступами і витісняти звідти повітря її не змусити навіть під тиском.

В результаті між вершинами виступів на поверхні залишається тонкий повітряний прошарок, який значно знижує в’язке тертя на кордоні. Якщо на таку поверхню налити воду, то вода поводиться так, наче висить над цією поверхнею в повітрі. А тече вона так, як ніби тверда поверхня (на якій швидкість потоку рідини поводиться в нуль) знаходиться дещо нижче, ніж насправді. Всередині вузького капіляра з подібною «повітряною мастильністю» розподіл швидкостей рідини виходить таким, ніби ширина каналу помітно більше реальної.

Якість повітряної мастила характеризують величиною ефективного віддалення поверхні (slip length). Зазвичай шар рідини, безпосередньо прилеглий до твердої поверхневості, залишається нерухомою, а чим далі, тим швидше рухаються шари рідини. Але при використанні повітряної мастила на кордоні повітря — вода швидкість течії не дорівнює нулю. Відклавши вектори швидкості течії на різних відстанях від цієї межі і подумки продовживши цю побудову, можна приблизно визначити глибину під поверхнею, де швидкість течії звернеться в нуль. У тонкому капілярі зі змазкою розподіл швидкостей буде таким, як ніби його радіус більше якраз на цю величину (малюнок з сайту www.aip.org)

Саме величину цього ефективного уширення каналу (slip length на малюнку) використовують для того, щоб характеризувати якість мастила як такої, незалежно від конкретного капіляра, в якому вона використовується. Для поверхні, створеної в університеті Каліфорнії в Лос-Анджелесі, стінки каналу ніби відступають на 20 мікрон — це найбільше значення, якого вдалося на сьогодні досягти. Якщо діаметр каналу з такою поверхнею становить 1 мм, в’язке тертя в ньому буде приблизно на 11% нижче, ніж у каналі з плоскими гідрофільними стінками. У каналі перетином 0,1 мм тертя знижується вже більш ніж удвічі, а в капілярі діаметром 10 мікрон опір течії рідини зменшується на порядок. А в разі використання замість води 30-відсоткового розчину гліцерину уширення каналу виявляється ще в 2,5 рази більше.

Поверхні з наднизьким в’язким тертям можуть знайти безліч застосувань в техніці, коли потрібно знизити зусилля на прокачування великої кількості рідини через тонкі капіляри, наприклад в системах рідинного охолодження. У повідомленні на сайті Американського інституту фізики (AIP) згадується також про можливість застосування подібного покриття для зниження опору руху торпед і підводних човнів, але ця ідея виглядає дещо сумнівно, оскільки в даному випадку ширина каналу прагне до нескінченності і ефект від застосування нанопокриття повинен бути близький до нуля.

Олександр Сергєєв

Джерело: Chang-Hwan Choi, Chang-Jin Kim. Large Slip of Aqueous Liquid Flow over a Nanoengineered Superhydrophobic Surface // Phys. Rev. Lett. 96, 16.02.2006.