Теорію супергідрофобного ковзання води перевірили експериментом.
Кожен напевно хоч раз бачив крапельки роси на пелюстках і листях рослин, і задавався питанням: чому вода не розтікається, а «сидить» краплею? Це відбувається завдяки тому, що поверхня листя і пелюсток гідрофобна, тобто відштовхує воду.
Ступінь гідрофобності визначається контактним кутом між поверхнею і краплею, і при значенні більше 150 ° поверхня вважається супергідрофобною. Такі поверхні зустрічаються в природі: наприклад, лист лотоса або крила деяких комах. Супергіброфобні властивості захищають поверхню від корозії, забруднення, оледеніння тощо.
Сучасні технології дозволяють зробити поверхню супергідрофобною за допомогою спеціального напилення або рельєфу поверхні, але нам потрібно розуміти, як поводиться рідина при контакті з нею. Тетяна Низька, Ольга Виноградова та їхні колеги з МДУ розробили напіваналітичну теорію, яка описує поведінку рідини поблизу супергідрофобної поверхні, і перевірили її експериментально.
Зазвичай поверхні «притягують» рідину за рахунок електростатичного тяжіння між молекулами, яке називається силою Ван-дер-Ваальса. Воно залежить як від хімічного складу і рельєфу поверхні, так і від складу рідини та її в'язкості, завдяки йому швидкість течії рідини уздовж поверхні може сильно відрізнятися від швидкості течії в центрі потоку.
Поблизу супергідрофобних поверхонь перебіг рідини має незвичайну властивість: його швидкість не дорівнює нулю навіть у шарі, що безпосередньо примикає до стінки, тобто рідина не притягується, а просковзує вздовж поверхні. Це явище називається гідродинамічним ковзанням. Його описали близько двохсот років тому, проте відтоді їм мало цікавилися, оскільки гідродинамічне ковзання на практиці не впливало на загальний потік рідини.
Ситуація значно змінилася з появою супергідрофобних матеріалів, в яких хімічна гідрофобність поверхні поєднується з відповідним рельєфом, наприклад, тонкими канавками або мікроколоннами. Вода «ковзає» вздовж повітряних подушок, які утворюються в канавках, практично без опору і не може «прилипнути» до стінок. Це значно збільшує так звану довжину ковзання - основну характеристику «прилипання» води до поверхні.
Нові теорії, розроблені для рідини поблизу супергідрофобних поверхонь, дозволяють передбачити не тільки ковзання, але й інші форми незвичайної поведінки поблизу анізотропних поверхонь, з рельєфом, спрямованим у певний бік. А тут зустрічаються досить цікаві в практичному сенсі ефекти. Наприклад, поблизу стінки, покритої витягнутими канавками, які спрямовані під кутом до основного потоку, рідина активно перемішується за рахунок того, що вона змінює напрямок течії. Інший можливий ефект - поділ зважених у рідині частинок за розміром.
Щоб виміряти довжину ковзання рідини вздовж неоднорідної супергідрофобної поверхні, фізики використовували атомно-силовий мікроскоп (ми вже розповідали про те, як він працює). Більш того, їм вдалося перевірити правильність теорії, що описує поведінку рідини на різних відстанях від такої поверхні. В експерименті зонд мікроскопа опускав сферичну мікрочастинку на супергідрофобну поверхню, занурену в рідину, причому швидкість занурення залишалася постійною. Можна було в один і той же час з високою точністю і відстежувати положення мікросфери в канавці, і вимірювати силу, що діє на неї з боку рідини. Співставлення теоретичного опису та експериментальної залежності гідродинамічної сили від відстані до супергідрофобної поверхні дозволило точно виміряти довжину ковзання.
За словами авторів, їх результати стануть відправною точкою для розробки нових супергідрофобних систем. Тепер, коли можна покластися на теорію, фізики можуть «грати» з раніше запропонованими теоретичними ідеями, що стосуються розподілу частинок в супергідрофобних каналах, системам з електроосмотичною течією тощо. Результати дослідження опубліковані в журналі Soft Matter.