物理学家发现一种作用于在超疏水表面上运动的水滴的新力

物理学助理教授 Matilda Backholm 的独特微吸管力传感器技术可探测超疏水材料与水滴之间的微小作用力。资料来源：Matilda Backholm/阿尔托大学

在一种名为黑硅的材料表面，微小的鸿沟形成了一片锥形锯齿状山峰。黑硅通常用于太阳能电池技术，同时也是研究水滴行为物理学的工具。

黑硅是一种超疏水材料，这意味着它能排斥水。由于水具有独特的表面张力特性，水滴在黑硅等纹理材料上滑行时，会附着在下面的空气薄膜间隙上。当水滴缓慢移动时，这种方法非常奏效--水滴在滑动过程中毫无阻碍。

但是，当液滴移动得更快时，某种未知的力量似乎会拉扯它的底部。这让物理学家们感到困惑，但现在来自阿尔托大学和巴黎 ESPCI 的一组研究人员给出了解释，而且他们还得到了相关数据的支持。

阿尔托大学助理教授玛蒂尔达-巴克霍尔姆（Matilda Backholm）是这篇论文的第一作者，该论文详细介绍了这些发现，并于4月15日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。她是在应用物理系罗宾-拉斯（Robin Ras）教授的软物质和润湿小组担任博士后研究员期间完成这项研究的。

阿尔托大学研究小组对空气剪切力的解决方案是在黑色硅表面建立支柱，然后将其蚀刻成具有类似纹理的帽盖。资料来源：Maja Vuckovac/阿尔托大学

"在观察水与表面的相互作用时，通常有三种力在起作用：接触线摩擦力、粘性损失和空气阻力。然而，水滴在黑硅等高滑表面上的运动会产生第四种力。这种运动实际上会对下面的空气产生剪切作用，从而对液滴本身产生类似阻力的作用。这种剪切力以前从未被解释过，我们是第一个发现它的人，"Backholm 说。

流体物理学和软物质物理学的相互作用十分复杂，要将其简化为简单的公式具有挑战性。但是，Backholm 成功地开发出了测量这些微小力的技术，解释了这些力的作用原理，并最终提供了完全消除阻力的解决方案。

空气剪切效应

创造出更好的超疏水表面将使世界上的运输系统更符合空气动力学，医疗设备更能保持无菌，并普遍提高任何需要憎液表面的滑爽性。

黑硅利用水的特定表面张力，最大限度地减少水滴与表面的接触。蚀刻在基底上的圆锥体使水滴在空气薄膜间隙上滑行，这种间隙被称为 Plastron。但与直觉相反的是，使疏水表面偏转水滴的机制也导致了 Backholm 论文中概述的剪切效应。

用微吸管力传感器探测水滴。图片来源：Matilda Backholm/阿尔托大学

"这个领域一直在制造超滑表面，通过缩小锥体的长度尺度使其更小更多，但没有人停下来意识到，嘿！我们实际上是在和自己作对。"Backholm说："实际上，在黑硅表面蚀刻更短的锥体会产生更大的空气剪切效应。"

其他研究人员也注意到了这种力的存在，但却无法解释。Backholm 的发现促使人们重新考虑超滑表面的设计方式。她的团队采取的变通方法是在黑硅表面上增加带有纹理帽的高锥体，以进一步减小液滴的总接触表面积。

"这项工作建立在软物质和润湿研究小组关于超疏水表面的丰富专业知识基础之上。Ras 说："很少有机会能完全解释润湿动力学所涉及的微观作用力的微妙之处，但这篇论文恰恰做到了这一点。"

专业测量技术

Backholm 采用了一种独特的微吸管测量技术来测量作用在水滴上的力。她是这些微吸管力传感器方面的专家，曾用它们测量过植物根系的生长动态、中观虾群的游动行为，现在又用它们来观察移动水滴中的力。

通过艰苦的微调，她利用这一技术在确定剪切效应方面取得了突破性进展。Backholm 对液滴和探针进行摆动，以探测下方微妙的拉扯力。

"我们还通过对碳酸液滴进行同样的测试，排除了接触线存在其他作用力的可能性。这些液滴不断释放出二氧化碳，使其悬浮在所处表面的上方。"Backholm 说："即便如此，我们还是在一定速度下测得了剪切效应，最终证实这种力的作用与它与黑硅表面的接触无关。"

Backholm预计这些发现将进一步帮助物理学家和工程师开发出性能更好的疏水表面，他现在领导着应用物理系的生命物质研究小组。

编译来源：ScitechDaily