Воздушная смазка превращает идеально шершавую поверхность в аномально гладкую

Электронная микрофотография структуры поверхности, созданной в UCLA (фото с сайта www.aip.org)

В Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA) разработана поверхность, оказывающая чрезвычайно низкое сопротивление текущей по ней жидкости. Правда, в это трудно поверить, взглянув на рельеф поверхности, напоминающий уступы фантастических скалистых гор.

Сам по себе принцип, положенный в основу разработки, не является принципиально новым. Он состоит в том, что даже самая гладко отшлифованная поверхность намного уступает по качеству границе раздела воздух—вода. Поэтому тонкая воздушная прослойка над твердой поверхностью является лучшей возможной смазкой. С этим согласится всякий, кто играл в настольный воздушный хоккей, в котором пластиковая шайба скользит по столу на воздушной подушке.

Чтобы окружить погруженную в воду твердую поверхность воздушной оболочкой, разработчики сделали ее гидрофобной, то есть водоотталкивающей, и подвергли специальной обработке, создав на ней огромное количество микроскопических острых выступов. К ровной гидрофобной поверхности вода всё же вынуждена прилегать вплотную, но вот затекать в узкие ущелья между выступами и вытеснять оттуда воздух ее не заставить даже под давлением.

В результате между вершинами выступов на поверхности остается тонкая воздушная прослойка, которая значительно снижает вязкое трение на границе. Если на такую поверхность налить воду, то вода ведет себя так, словно висит над этой поверхностью в воздухе. А течет она так, как будто твердая поверхность (на которой скорость потока жидкости обращается в ноль) находится несколько ниже, чем на самом деле. Внутри узкого капилляра с подобной «воздушной смазкой» распределение скоростей жидкости получается таким, будто ширина канала заметно больше реальной.

Качество воздушной смазки характеризуют величиной эффективного отдаления поверхности (slip length). Обычно слой жидкости, непосредственно прилегающий к твердой поверхностности, остается неподвижной, а чем дальше, тем быстрее движутся слои жидкости. Но при использовании воздушной смазки на границе воздух—вода скорость течения не равна нулю. Отложив векторы скорости течения на разных расстояниях от этой границы и мысленно продолжив это построение, можно приблизительно определить глубину под поверхностью, где скорость течения обратится в ноль. В тонком капилляре со смазкой распределение скоростей будет таким, как будто его радиус больше как раз на эту величину (рис. с сайта www.aip.org)

Именно величину этого эффективного уширения канала (slip length на рисунке) используют для того, чтобы характеризовать качество смазки как таковой, независимо от конкретного капилляра, в котором она используется. Для поверхности, созданной в университете Калифорнии в Лос-Анджелесе, стенки канала как бы отступают на 20 микрон — это самое большое значение, которого удалось на сегодня достичь. Если диаметр канала с такой поверхностью составляет 1 мм, вязкое трение в нем будет примерно на 11% ниже, чем в канале с плоскими гидрофильным стенками. В канале сечением 0,1 мм трение снижается уже более чем вдвое, а в капилляре диаметром 10 микрон сопротивление течению жидкости уменьшается на порядок. А в случае использования вместо воды 30-процентного раствора глицерина уширение канала оказывается еще в 2,5 раза больше.

Поверхности со сверхнизким вязким трением могут найти множество применений в технике, когда требуется снизить усилия на прокачку большого количества жидкости через тонкие капилляры, например в системах жидкостного охлаждения. В сообщении на сайте Американского института физики (AIP) упоминается также про возможность применения подобного покрытия для снижения сопротивления движению торпед и подводных лодок, но эта идея выглядит несколько сомнительно, поскольку в данном случае ширина канала стремится к бесконечности и эффект от применения нанопокрытия должен быть близок к нулю.

Александр Сергеев

Источник: Chang-Hwan Choi, Chang-Jin Kim. Large Slip of Aqueous Liquid Flow over a Nanoengineered Superhydrophobic Surface // Phys. Rev. Lett. 96, 16.02.2006.

<< Назад