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.
Matilda Backholm, Tytti Kärki, Heikki A. Nurmi, Maja Vuckovac, Valtteri Turkki, Sakari Lepikko, Ville Jokinen, David Quéré, Jaakko V.I. Timonen, Robin H.A. Ras, Toward vanishing droplet friction on repellent surfaces, Proceedings of the National Academy of Sciences, 10.1073/pnas.2315214121 (2024).
Matilda Backholm pyrkii määrittämään monimutkaisen liikkumiskäyttäytyminen omaavan suolakatkaravun fysiikkaa. Löydösten avulla voidaan kehittää esimerkiksi ”nieltävää kirurgiaa”.
Merkittävän rahoituksen saaneesta tutkimuksesta toivotaan keinoja ilmastonmuutoksen vastaiseen taisteluun muun muassa eroosion ehkäisemisessä ja ruokaturvan parantamisessa.
We are a group of physicists, biologists, engineers, and chemists working with big questions at the interface between physics and biology. We develop our own experimental and analytical tools to probe the dynamics and flow in soft, living, and fluid materials.
Functional soft materials and wettability of surfaces are the key research interests of Soft Matter and Wetting research group at Aalto University Department of Applied Physics.
