Японские физики создали супергидрофобную поверхность из обыкновенных лезвий для бритвы, сложенных в стопку. Капли воды отскакивали от такого материала, а краевой угол составил около 160 градусов, что в два раза больше, чем на плоской поверхности из нержавеющей стали. Препринт исследования выложен на arxiv.org.

Капля воды отскакивает от стопки бритвенных лезвий.Изображение: Ken Yamamoto et al./ arXiv.org

Авторы исследовали три различных поверхности, отличавшихся между собой расстояниями между лезвиями. В эксперименте измерялись краевые углы капель воды, сброшенных на поверхность с небольшой высоты.

Полученные значения краевых углов (147–171 градус) были характерны для супергидрофобных поверхностей, хотя сталь сама по себе является гидрофильной, а никаких дополнительных покрытий в эксперименте не использовалось. Авторы предложили теоретическую модель, описывающую устойчивость супергидрофобного состояния в зависимости от характерных размеров капли и рельефа поверхности.

Согласно теории, ключевым для системы параметром было число Вебера, определяющее отношение инерции капли к ее поверхностному натяжению. При больших скоростях падения число Вебера могло превысить критическое значение, в этом случае капля «пробивала» зазор между лезвиями и миновала супергидрофобное состояние. Кроме того, важным оказалось соотношение радиуса капли и ширины зазора: для него также существовал порог, ниже которого капля просачивалась между лезвиями.

Возникновение порогового значения размеров капли и рельефа поверхности. Изображение: Ken Yamamoto et al./ arXiv.org

Явление супергидрофобности на неровных поверхностях возникает благодаря тому, что на твердой поверхности могут существовать полости, заполненные воздухом. Обычно это достигается за счет специального рельефа, а также гидрофобного химического покрытия, препятствующего заполнению полостей жидкостью. На таком материале капля оказывается в состоянии Касси или «состоянии факира»: она касается лишь вершин рельефа, поэтому со стороны может показаться, что капля «сидит на иголках».

Супергидрофобные поверхности применяются для водоотталкивающих материалов и защиты от обледенения. Кроме того, на них возникает эффект под названием «гидрофобное скольжение», благодаря которому жидкость движется гораздо быстрее вблизи таких поверхностей по сравнению с обычными гидрофильными материалами. Это может быть использовано, например, для создания костюмов для спортсменов-пловцов, чтобы снизить трение о жидкость. Также эффект скольжения широко используется в микрофлюидике для уменьшение вязкого сопротивления в очень тонких каналах.