物理学家解释并消除了超疏水表面上水滴拖动的未知力

形成圆锥形锯齿状峰海的微观裂缝在一种称为黑硅的材料的表面上点刻。虽然黑硅在太阳能电池技术中很常见，但它也可以作为研究水滴行为物理学的工具。

黑硅是一种超疏水材料，这意味着它可以排斥水。由于水独特的表面张力特性，水滴通过困在下面的薄气膜间隙滑过黑硅等纹理材料。当水滴缓慢移动时，这种方法非常有效——它们可以顺畅地滑动。

但当水滴移动得更快时，似乎有某种未知的力量在拉扯它的下腹部。这让物理学家感到困惑，但现在阿尔托大学和ESPCI巴黎的一组研究人员有了一个解释，并且他们有数据支持它。

阿尔托大学助理教授MatildaBackholm是详细介绍这些发现的论文的第一作者，该论文于4月15日发表在《美国国家科学院院刊》上。她在应用物理系RobinRas教授的软物质和润湿小组担任博士后研究员期间进行了这项研究。

“在观察水面相互作用时，通常有三种力在起作用：接触线摩擦、粘性损失和空气阻力。然而，第四种力是由液滴在黑硅等高度光滑的表面上的运动产生的。这种运动实际上对下面的空气产生了剪切效应，从而对液滴本身产生了类似阻力的力，这种剪切力以前从未被解释过，我们是第一个发现它的人，”巴克霍姆说。

事实证明，流体和软物质物理的复杂相互作用很难简化为现成的公式。但巴克霍姆成功地开发了一种技术来测量这些微小的力，解释力的工作原理，并最终提供完全消除阻力的解决方案。

空气剪切效应

创造更好的超疏水表面将使世界运输系统更加符合空气动力学，医疗设备更加无菌，并普遍提高任何需要防水表面的东西的光滑性。

黑硅利用水的特定表面张力来最大限度地减少水滴与表面之间的接触。蚀刻在基板上的锥体使水滴在气膜间隙(称为腹甲)上滑动。但与直觉相反，使疏水表面偏转水滴的机制也导致了巴克霍尔姆论文中概述的剪切效应。

“该领域一直在通过减小锥体的长度规模来制造这些超光滑的表面，使它们更小、更丰富。但没有人停下来意识到，‘嘿，我们实际上在这里与自己作对。’事实上，在黑硅表面蚀刻较短的锥体会产生更大的空气剪切效应，”巴克霍姆说。

其他研究人员已经注意到这种力的存在，但无法解释它。巴克霍姆的发现促使人们重新考虑超滑表面的设计方式。她的团队的解决方法是在黑硅表面上添加带有纹理帽的更高锥体，以进一步最小化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主题的丰富专业知识的基础上。很少有机会充分解释润湿动力学中涉及的微观力的微妙之处，但这篇论文做到了这一点，“拉斯说。

专业技术

巴克霍尔姆采用了独特的微量移液器测量技术来测量作用于水滴的力。她是这些微移液力传感器方面的专家，曾用它们测量植物根部的生长动态、细观虾群的游泳行为，现在又开始观察移动水滴的力。

经过艰苦的微调，她得以利用这项技术在识别剪切效应方面取得了突破。巴克霍尔姆振荡液滴和探针，以检测下方的微妙牵引力。

“通过对碳酸液滴进行相同的测试，我们还排除了在接触线上存在任何其他力量的可能性。这些液滴不断释放二氧化碳，导致它们稍微悬浮在它们所在的表面之上。尽管如此，在一定速度下测量了剪切效应，最终证实了该力的作用独立于其与黑硅表面的接触，”Backholm说。

巴克霍姆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。