Elektrostatikler, Damlaların Yüzeyler Üzerindeki Hareketini Etkiliyor
Su damlalarının yüzeyler üzerindeki hareketinin basit olduğu ve kolayca anlaşılabileceği düşünülmektedir. Ancak, kayan bir damlacık üzerine etki eden kuvvetler hakkında hala cevaplanmamış çok sayıda soru mevcuttur. TU Darmstadt’tan meslektaşları ile işbirliği içinde Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü’nden bir araştırmacı ekibi bir keşifte bulundu. Buna göre, yüzey enerjisine ve damlacık içindeki viskoz sürtünmeye ek olarak, elektrostatik de önemli bir rol oynuyor. Sonuçlar yakın zamanda Nature Physics yayınında yer aldı.
Yağmur damlaları arabanın camına çarptığında, rüzgar, damlaları yana doğru itmektedir. Günümüzde bile halen damlaların ön camda nasıl hareket ettiğini tam olarak anlaşılamamıştır. Yine de böyle bir anlayış, otonom sürüş gibi birçok alanda önemlidir. Örneğin, ön cama takılan kameraların, yolu ve trafik durumunu izlemesi gerekir, bunun
için ön camın yüzeyi damlaların hava akımı tarafından tamamen aşağı üfleneceği ve yağmurda bile görüntünün net kalacağı şekilde tasarlanmalıdır. Tam ters mantıktaki
diğer örnekler ise, sprey boya veya böcek ilacı gibi damlaların yüzeylere yapışmasının gerektiği uygulamalardır.
Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü’nden “Arayüzlerin Fiziği” direktörü Prof. Hans-Jürgen Butt, “Şimdiye kadar, damlacıkların bir yüzey üzerinde – yani ilk birkaç moleküler katmanda – hareketinden yüzey kaplamasının sorumlu olduğu varsayıldı” diye açıkladı. Örneğin, küresel veya düz bir damla şeklinin oluşup oluşmadığı yüzeye bağlıdır. Damla yüzeyi tutarsa, mümkün olduğunca fazla temas sağlamak için kendisini düz bir şekilde bastırır. Bilinen lotus etkisinde olduğu gibi yüzeyi tutmazsa, kıvrılır. Ayrıca, bir damlacık hareket ettiğinde, damlacık içinde viskoz sürtünme (örneğin, tek tek su molekülleri arasındaki sürtünme) meydana gelir ve bu da onun hareketini etkiler.
Elektrostatik, Hız Farklılıklarına Neden Oluyor
MPI for Polymer Research’teki araştırmacılardan oluşan ekip, ne kılcal ne de viskoelastik kuvvetlerin, damlacıkların farklı yüzeylerde hareket etme hızlarındaki farklılıkları açıklayamayacağını fark etti. Özellikle, damlacıkların farklı alt tabakalar üzerinde farklı hızlarda akması, bu alt tabakalar aynı yüzey kaplamasına sahip olsa bile, hiçbir farkın
beklenmeyeceği gerçeğiyle ilgili soruları gündeme getirdi. Bu nedenle araştırmacılar önce gizemli bir “ekstra güç” tanıttılar. Bunun izini sürmek için, Hans-Jürgen Butt’ın bölümünde bir doktora öğrencisi olan Xiaomei Li, bir düşme yarışı düzenledi. Li “Farklı yüzeylerdeki damlaları filme aldım, hareketlerinden hız ve ivme profillerini çıkardım, kuvveti hesaplamak için zaten bilinen kuvvetleri hesapladım ve henüz bakmadığımız kuvveti hesapladım” diye
açıkladı.
Şaşırtıcı bir sonuç elde edildi; hesaplanan kuvvet, araştırmacıların birkaç yıl önce bir modelde ilk kez tanımladığı elektrostatik bir kuvvetle aynı yöndeydi. Butt’ın departmanında grup lideri olan Jun.-Prof. Stefan Weber “Deney sonuçlarını bu sayısal modelle karşılaştırarak, daha önce kafa karıştıran damlacık yörüngelerini açıklayabiliriz” dedi.
Daha önce nötr olan damlacıklar bir yalıtkan üzerinde kayıyorsa, elektriksel olarak yüklenebilirler: Dolayısıyla elektrostatik burada önemli bir rol oynar. Öte yandan,
elektriksel olarak iletken bir alt tabaka üzerinde, damlacık, yükünü hemen alt tabakaya geri bırakır.
Weber, “Daha önce kimsenin dikkate almadığı elektrostatik kuvvetin bu nedenle büyük bir etkisi vardır; test edilen tüm hidrofobik yüzeylerde su, sulu elektrolitler ve etilen glikol için bu dikkate alınmalıdır,” diye özetledi Weber. Araştırma ekibi şimdi sonuçları Nature Physics’te yayınladı. Bu sonuçlar, baskıdan mikroakışkanlara veya su yönetiminden damlacık tabanlı mini jeneratörler aracılığıyla güç üretimine kadar birçok uygulamada damlacık hareketinin kontrolünü iyileştirecektir.
Kaynak
https://phys.org/news/2022-04-electrostatics-movement-surfaces.html
More information: Xiaomei Li et al, Spontaneous charging affects the motion of sliding drops, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01563-6 Journal information: Nature Physics Provided by Max Planck Society
