Как выяснили исследователи, на движение капель по поверхности также влияют электростатические силы. Предоставлено: Рюдигер Бергер / MPI-P

Казалось бы, что-то столь простое, как движение капель воды по поверхности, действительно должно быть понято. На самом деле до сих пор остается множество нерешенных вопросов о силах, действующих на скользящую каплю. Группа исследователей из Института исследований полимеров имени Макса Планка в сотрудничестве с коллегами из Технического университета Дармштадта обнаружила: помимо поверхностной энергии и вязкого трения внутри капли значительную роль также играет электростатика. Результаты были недавно опубликованы в журнале Nature Physics .

Капли дождя бьют в окно автомобиля, и ветер отбрасывает капли в сторону. Даже сегодня никто не смог точно предсказать, как капли движутся по лобовому стеклу. Однако такое понимание важно во многих областях, таких как автономное вождение : например, камеры, установленные в лобовом стекле, должны следить за дорогой и дорожной обстановкой — для этого поверхность лобового стекла должна быть спроектирована таким образом. Таким образом, капли полностью сдуваются воздушным потоком, а обзор остается четким даже под дождем. Другими примерами с обратным знаком являются приложения, в которых капли должны прилипать к поверхностям, например аэрозольная краска или пестициды.

«До сих пор предполагалось, что поверхностное покрытие отвечает за то, как капля движется по поверхности, то есть за первые несколько молекулярных слоев», — говорит профессор Ханс-Юрген Бутт, директор «Физики интерфейсов», отделение Института Макса Планка по исследованию полимеров. Например, от поверхности зависит, будет ли формироваться капля сферической или плоской формы. Если капле нравится поверхность, она прижимается к ней, чтобы обеспечить как можно больший контакт. Если ему не нравится поверхность, как в случае с известным эффектом лотоса, он сворачивается. Было также ясно, что при движении капли внутри капли возникает вязкое трение, т. е. трение между отдельными молекулами воды, которое также влияет на ее движение.

Электростатика вызывает разницу в скорости

Группа исследователей из MPI for Polymer Research обнаружила, что ни капиллярные, ни вязкоупругие силы не могут объяснить различия в скорости, с которой капли движутся по разным поверхностям. Вопросы вызывал, в частности, тот факт, что капли бегут с разной скоростью по разным подложкам — даже если эти подложки имеют идентичное покрытие поверхности, где никаких различий ожидать не приходится. Поэтому исследователи впервые представили загадочную «дополнительную силу ». Чтобы отследить это, Сяомей Ли, доктор философии, студент отделения Ханса-Юргена Батта организовал дроп-гонку. «Я снимал капли на разных подложках, извлекал из их движения профили скорости и ускорения, рассчитывал силы, которые уже были известны, чтобы рассчитать силу, которую мы еще не видели»,

Поразительный результат: рассчитанная сила согласуется с электростатической силой, которую исследователи впервые описали в модели несколько лет назад. «Сравнивая экспериментальные результаты с этой численной моделью, мы можем объяснить ранее запутанные траектории капель», — говорит младший профессор. Стефан Вебер, руководитель группы в отделе Батта.

Если ранее нейтральные капли скользят по изолятору, они могут стать электрически заряженными: так что электростатика играет здесь значительную роль. С другой стороны, на электропроводящей подложке капля немедленно отдает свой заряд обратно на подложку. «Поэтому большое влияние оказывает электростатическая сила, которую никто ранее не учитывал: ее необходимо учитывать для воды, водных электролитов и этиленгликоля на всех испытанных гидрофобных поверхностях», — резюмирует Вебер. Исследовательская группа опубликовала результаты в журнале Nature Physics. Эти результаты улучшат контроль над движением капель во многих приложениях, от печати до выработки электроэнергии с помощью мини-генераторов на основе капель.