Tuoreessa tutkimuksessa löytynyt mekanismi voi aiheuttaa sekä superliukkautta että tietyssä tilanteessa vastustaa veden liikettä.
Aalto-yliopiston ja Pariisin Espci -yliopiston tutkijat löysivät selityksen vesipisaroita liikuttavalle tuntemattomalle voimalle tutkimalla mustaa piitä.
Mustasta piistä saadaan tietynlaisten pinnoitteiden avulla superhydrofobinen eli ultraliukas pinta.
Mustan piin pinnalla on kartiomaisia huippuja, jotka minimoivat pinnan ja sen päällä olevan vesipisaran välisen kosketuksen.
Vesi liukuu huippujen yli ja jättää kartioiden juureen ohuen ilmakalvon. Liike on vaivatonta – mutta vain niin kauan kuin se on hidasta.
Salaperäinen neljäs voima
Veden ja pinnan vuorovaikutusta tarkasteltaessa nähdään yleensä kolmenlaista voimaa: kiinteän pinnan ja veden välistä kitkaa, virtauksenvastusta ja ilmanvastusta.
”On kuitenkin vielä neljäs voima, joka syntyy pisaroiden liikkeestä mustan piin kaltaisilla ultraliukkailla pinnoilla”, kertoo tutkimusartikkelin pääkirjoittaja, apulaisprofessori Matilda Backholm Aalto-yliopistosta.
”Pisaran liike synnyttää paineistavan vaikutuksen alapuolella olevaan ilmaan, mikä taas aiheuttaa pisaraan kohdistuvan vastuksen kaltaisen voiman – aivan kuin renkaan kokema vierintävastus kasvaa sen liikkuessa pehmeän maaston tai lumen päällä.”
Sama mekanismi aiheuttaa liukkauden ja vastuksen
Yllätyslöytö oli, että juuri se mekanismi, joka tekee superhydrofobisista pinnoista erityisen liukkaita, aiheuttaa myös Backholmin havaitseman vastusvoiman.
Erittäin liukkaita pintoja on tyypillisesti tehty lyhentämällä kartioita, jotta ne olisivat mahdollisimman pieniä.
”Kukaan ei ole pysähtynyt huomaamaan, että hei, me itse asiassa työskentelemme itseämme vastaan”, Backholm kuvailee.
”Todellisuudessa mitä enemmän kartioita mustassa piipinnassa on, sitä suurempi on ilman puristumisesta johtuva vaikutus.”
Tutkimustulokset julkaisi Pnas-lehti.
Matilda Backholm työskenteli tutkimuksen aikana professori Robin Rasin vetämässä Soft Matter and Wetting -tiimissä.
”Harvoin tarjoutuu tilaisuus selittää täysin veden dynamiikkaan liittyvien mikroskooppisten voimien hienouksia, mutta tässä työssä onnistutaan juuri siinä”, Ras kiittelee.
Pintasuunnitteluun uusia keinoja
Matilda Backholmin mukaan tulokset tarkoittavat sitä, että erittäin liukkaiden pintojen suunnittelu on mietittävä uusiksi.
Backholmin kehittämä mustan piin pintaratkaisu on yhdistelmä korkeita pilareita ja matalia kartioita.
Pilarien ansiosta ilmalle jää tilaa liikkua pisaran ja pinnan välissä, kun taas kartiot tuovat tarvittavan liukkauden.
Näin vesi saadaan liukumaan vieläkin pienemmän kosketuspinta-alan yli, ja ilman puristava vaikutus vähenee merkittävästi.
Hydrofobisia materiaaleja käytetään muun muassa liikenteen aerodynaamisissa pinnoissa, lääketeollisuuden laitteissa ja muissa nestettä hylkivissä ja steriileissä pinnoissa.
Aiheesta aiemmin:
Aalto-yliopiston superpinnoite voi tuoda suksiin uutta luistoa
Erikoispinnoite saa hunajan juoksemaan vettä nopeammin
Hajoamaton panssaripinnoite karkottaa veden ja lian
Tilaa Kemiamedian uutiskirje!
Tilaajana saat sähköpostiisi kerran viikossa kiinnostavimmat uutiset ja tiedot alan tapahtumista ja työpaikoista. Osallistut samalla kylpylävuorokauden arvontaan!
