Дворівнева текстура допомогла гідрофільній поверхні сконденсувати і відвести воду

Американські вчені розробили гідрофільну шорстку поверхню, яка дозволяє одночасно і ефективно конденсувати на собі воду із зовнішнього середовища, і швидко відводити її в потрібному напрямку. До такого ефекту призводить ієрархічна текстура, при якій на поверхні великих борознок знаходяться більш дрібні наношорстості, а також просочення гідрофільною мастильною рідиною, пишуть вчені в.

Зазвичай, щоб збільшити рухливість крапель води на твердих поверхнях, вчені пропонують робити їх супергідрофобними. За рахунок поєднання шорсткості і гідрофобності на кордоні між краплею води і твердим матеріалом формується стійкий прошарок повітря, який з одного боку підвищує кут змочування і змушує краплі води зберігати майже сферичну форму, а з іншого - робить поверхню дуже слизькою для рідини. Як альтернативний спосіб підвищення рухливості крапель на поверхні фізики використовують їжу текстурованої поверхні гідрофобною олією. Однак, незважаючи на збільшену рухливість крапель на обох типах поверхонь, через високий енергетичний бар'єр вода на них погано конденсується. Тому використовувати їх, наприклад, для відведення води в пристроях охолодження або при збиранні води з розпорошених водних аерозолів, виявляється досить неефективно.

Щоб вирішити цю проблему, американські фізики під керівництвом Вонга Так-Сінга (Tak-Sing Wong) з Університету штату Пенсільванія запропонували спосіб створення поверхні, яка ефективно конденсує на собі воду, але при цьому досить слизька, щоб налиплі краплі швидко з неї стікали. На відміну від більшості використовуваних раніше варіантів, розроблена вченими поверхня не гідрофобна, а гідрофільна. На неї наноситься текстура паралельних прямокутних канавок, які просочуються гідрофільною рідкою речовиною, так щоб вона зовсім тонким шаром повністю покривала в тому числі і виступаючі частини. Ця рідина виконує роль гідрофільного мастильного шару, по якому крапля води може досить вільно рухатися в потрібному напрямку.

На відміну від більш традиційних способів просочення з використанням гідрофобного масла, запропонований метод не тільки дозволяє ефективно відводити воду, що осіла на поверхню, але і конденсувати її в досить великому обсязі і з великою кількістю центрів нуклеації.

Ще більш ефективним способом збільшення рухливості крапель виявилося використання поверхонь з подвійною текстурою. У таких матеріалах на поверхні перших мікронних борознок створюється ще одна додаткова текстура з таких же борознок, але на наномасштабі. Тоді мастильним шаром просочується вже не велика текстура, а маленька. Це дозволяє рідині затікати у великі канавки, але вільно рухатися вздовж них, практично не затримуючись і не прикріплюючись до вертикальних стінок.

За допомогою комп'ютерного моделювання методом молекулярної динаміки вчені показали, що до підвищення швидкості конденсації води на такому матеріалі призводить наявність на поверхні гідрофільних груп. При цьому прискорення відведення води вздовж бороздок пов'язано зі значним зменшенням енергії зачеплення крапель за стінки канавок порівняно зі звичайною гідрофільною поверхнею без подвійної текстури і мастильного шару.

За словами авторів роботи, отримані ними поверхні можна використовувати для підвищення ефективності охолоджувальних пристроїв, здатних швидко відводити використану воду і тепло від перегрітих елементів приладів.

Поки для підвищення ефективності охолоджувальних пристроїв, дія яких заснована на використанні води, все ж частіше пропонують застосовувати не гідрофільні, а супергідрофобні поверхні. Наприклад, американські інженери розробили систему пасивного охолодження електроніки, здатну ефективно відводити тепло за допомогою підстрибування крапель на супергідрофобній поверхні при їх злитті. При цьому поєднуючи супергідрофобні ділянки з плоскими гідрофобними, можна змусити рідину течу по поверхні не випадковим чином під дією зовнішніх сил, а по строго заданому маршруту.