Fyysikot onnistuivat selittämään tuntemattoman voiman, joka kiskoo vesipisaroita huippuliukkailla pinnoilla
Tulokset auttavat kehittämään aiempaa liukkaampia pintoja, jollaisia hyödynnetään esimerkiksi lääketeollisuudessa ja liikenteessä.
Mustan piin nimellä tunnetun materiaalin pinta koostuu ikään kuin tiheän metsän muodostavista kartiomaisista huipuista, joiden väleihin valokin eksyy – siksi se onkin mustaa. Musta pii on yleisesti käytössä aurinkokennoteknologiassa, mutta sen avulla voidaan kuitenkin tutkia myös esimerkiksi vesipisaroiden fysiikkaa, etenkin kun tietynlaisten pinnoitteiden avulla siitä saadaan superhydrofobinen eli ultraliukas pinta.
Kartioiden huiput minimoivat mustan piin pinnan ja sen päällä olevan vesipisaran välisen kosketuksen. Vesi liukuu vaivattomasti huippujen yli ja jättää alleen kartioiden juureen ohuen ilmakalvon. Liike pinnalla on vaivatonta – niin kauan kuin se on hidasta.
Mutta kun vesipisaroiden liikkeeseen lisätään vauhtia, jokin selittämätön voima näyttää kuitenkin hidastavan niiden liikettä. Ilmiö on pitkään ihmetyttänyt fyysikoita, mutta nyt Aalto- ja ESPCI Paris -yliopistojen tutkijat ovat yhteistyössä ensimmäisinä löytäneet sille selityksen. Tutkimuksen pääkirjoittaja on Aalto-yliopiston apulaisprofessori Matilda Backholm.
Tutkimustulokset julkaistiin juuri arvostetussa Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä. Ne syntyivät Backholmin työskennellessä tutkijatohtorina professori Robin Rasin vetämässä Soft Matter and Wetting -tiimissä.
”Tämä työ pohjaa tutkimusryhmämme laajaan asiantuntemukseen superhydrofobisten pintojen alalla. Harvoin tarjoutuu tilaisuus selittää täysin veden dynamiikkaan liittyvien mikroskooppisten voimien hienouksia, mutta tässä työssä onnistutaan juuri siinä”, Ras kiittelee.
"Veden ja pinnan vuorovaikutusta tarkasteltaessa näemme yleensä kolmenlaista voimaa: kiinteän pinnan ja veden välistä kitkaa, sekä virtauksen- ja ilmanvastusta. On kuitenkin vielä neljäs voima, joka syntyy pisaroiden liikkeestä mustan piin kaltaisilla ultraliukkailla pinnoilla. 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", Backholm kertoo.
Yllättäen juuri se mekanismi, joka tekee superhydrofobisista pinnoista erityisen liukkaita, aiheuttaa myös Backholmin havainnoissa kuvatun 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. Todellisuudessa mitä enemmän kartioita mustassa piipinnassa on, sitä suurempi on ilman puristumisesta johtuva vaikutus", Backholm sanoo.
Tarvitaan uudenlainen tapa rakentaa ultraliukkaita pintoja
Hydrofobisia materiaaleja käytetään muun muassa liikenteen aerodynaamisissa pinnoissa, lääketeollisuuden laitteissa ja muissa nestettä hylkivissä ja steriileissä pinnoissa.
"Tulokset tarkoittavat sitä, että meidän on mietittävä uudelleen tapa, jolla suunnittelemme erittäin liukkaita pintoja", Backholm toteaa.
Backholmin ja yhteistyökumppaneiden ratkaisu oli tehdä yhdistelmä korkeita pilareita ja matalia kartioita piipinnalla. Pilarien ansiosta ilmalle jää tilaa liikkua pisaran ja pinnan välissä, kun taas kartiot tuovat tarvitun liukkauden, ja lopputuloksena vesi saatiin liukumaan vieläkin pienemmän kosketuspinta-alan yli, ja ilman puristava vaikutus väheni merkittävästi.
Tutkijat ovat myös kehittäneet ainutlaatuisen mikropipettimittaustekniikan mittaamaan vesipisaroihin kohdistuvia voimia. Backholm on jo aiemmin käyttänyt tekniikkaa mesoskooppisten katkarapuparvien uintikäyttäytymisen tarkkailuun ja kasvien juurten kasvun mittaamiseen.
Backholm toivoo, että tuoreen tutkimuksen havainnot auttavat fyysikoita ja insinöörejä kehittämään entistä suorituskykyisempiä hydrofobisia pintoja.
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Matilda Backholm
Apulaisprofessori, Aalto-yliopisto
matilda.backholm@aalto.fi
p. +358 50 308 7488
Robin Ras
Professori, Aalto-yliopisto
robin.ras@aalto.fi
p. +358 50 432 6633
Kuvat
Linkit
Tietoa julkaisijasta
Aalto-yliopistossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Rakennamme kestävää tulevaisuutta saavuttamalla läpimurtoja avainalueillamme ja niiden yhtymäkohdissa. Samalla innostamme tulevaisuuden muutoksentekijöitä ja luomme ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin. Yliopistoyhteisöömme kuuluu noin 13 000 opiskelijaa ja yli 4 500 työntekijää, joista 400 on professoreita. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto
Tutkijat valjastivat tuulen esineiden liikuttamiseen29.4.2024 12:55:00 EEST | Tiedote
Tutkijoiden mukaan ilmavirtojen luova hyödyntäminen voi synnyttää uusia robottiteknologioiden muotoja.
Tutkijat kehittivät yleisöaaltoon perustuvan tavan ohjata tanssia virtuaalitodellisuudessa29.4.2024 10:57:17 EEST | Tiedote
Uudessa tekniikassa tanssija voi hypätä virtuaalitodellisuuteen ja alkaa tanssia ilman, että täytyy opetella koreografioita etukäteen.
Kuinka helpottaa tekstin näpyttelyä puhelimella? Tutkijat loivat ensi kertaa ihmisen tekstinsyöttöä simuloivan tekoälymallin18.4.2024 08:45:00 EEST | Tiedote
Malli auttaa ymmärtämään, mitkä tekijät sujuvoittavat ja mitkä puolestaan vaikeuttavat puhelimen näpyttelyä erilaisilla käyttäjäryhmillä.
EMBARGO: Tutkimus selvitti ilmastonmuutoksen vaikutusta tundralla: lämpeneminen voi lisätä hiilen vapautumista hälyttävästi17.4.2024 18:00:00 EEST | Tiedote
Tutkimuksessa havaittiin, että ilman ja maaperän lämpeneminen sekä maaperän kuivuminen lisäsi hiilen vapautumista tundran ekosysteemistä.
Kuivuus on uhka runsaiden vesivarojen Suomessakin16.4.2024 13:15:00 EEST | Tiedote
Suomessa on yhä alhainen riski kuivuudelle, mutta viime vuosikymmenien kuivista kausista on kuitenkin aiheutunut vakavia vaikutuksia etenkin maataloudelle ja vesihuollolle.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme