Источник: Новосибирский государственный университет –
Важный отказ от ответственности находится в нижней части этой статьи.
Суперлиофобность лазерно-текстурированных поверхностей в условиях разреженной атмосферы исследовал студент 4 курса Физического факультета Новосибирского государственного университета Никита Смирнов под научным руководством доктора физико-математических наук, старшего преподавателя кафедры общей физики Физического факультета НГУ, ведущего научного сотрудника, и.о. заведующего лаборатории 10.1 Института теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН Сергея Старинского. В рамках своей научной работы молодой исследователь сравнил показатели свойства смачивания таких поверхностей с данными, которые были получены в условиях нормальной атмосферы, и выяснил, что отличия между ними незначительны и в обоих случаях на смачиваемость исследуемой поверхности оказывает влияние температурный фактор.
Суперлиофобность – это свойство поверхности отталкивать жидкость, при этом образуются почти сферические капли, которые не растекаются, а скатываются с нее. Данное состояние поверхности определяется таким показателем, как краевой угол смачивания — угол между твердой поверхностью и касательной к капле жидкости в точке контакта. У суперлиофобных поверхностей в нормальном состоянии без наклона он превышает 150°. Суперлиофобность может быть достигнута путем создания структур на поверхности, которые минимизируют контакт жидкости с поверхностью. Данное свойство поверхности может быть полезным в различных приложениях, где требуется минимизировать ее контакт с жидкостями.
— Для нас было важно исследовать суперлиофобность лазернотекстурированных материалов в вакууме, чтобы проверить классическую теорию смачивания Касси-Бакстера, согласно которой данные свойства достигаются за счет воздуха, сохраняющегося в текстуре поверхности. И у нас возник вопрос: что будет, если его полностью удалить? Будет ли жидкость затекать в структуры или поверхность сохранит водоотталкивающие свойства. Исследование данной проблемы важно и актуально, так как использование суперлиофобных поверхностей в безвоздушном пространстве позволит решить ряд проблем, например, с обледенением, защитой от конденсата и коррозии различных космических и суборбитальных аппаратов. У таких материалов с «водоотталкивающей» структурой множество сфер применения. Также они могут использоваться в физике горения. Они могут быть востребованы в космической отрасли — при условии, если сохранят суперлиофобность в условиях вакуума. Это нам и предстояло выяснить, — рассказал Никита Смирнов.
Молодой исследователь обратился к литературе о таких исследованиях лазернотекстурированных поверхностей в условиях вакуума и обнаружил на эту тему всего несколько опубликованных научных статей. Авторам только одной из них удалось достичь водоотталкивающих свойств, которые полноценно сохранялись бы в условиях вакуума. При этом причины такого явления детально изучены не были, и было неизвестно, что вносит основной вклад в сохранение данных свойств в разреженной атмосфере. В своей работе Никита Смирнов предложил использовать суперлиофобные поверхности с развитой структурой, созданные при помощи импульсного лазерного воздействия и покрытые фобизирующим фторполимерным слоем. Данный подход прост в реализации, поскольку при известных режимах достаточно легко воспроизвести полученные результаты и при этом не требуются особые условия для текстурирования. Еще одно важное достоинство — дешевизна технологии, достигнутая за счет того, что в последние десятилетия лазеры стали более распространенными и эффективными, а их использование находит широкое применение в различных областях производства. Фторполимерное покрытие было предложено напылять тонким слоем, чтобы полученная лазером текстура не изменялась на микронном уровне, а только покрывалась фобизирующим слоем. Никита Смирнов принял решение исследовать гидродинамику капель жидкости на суперлиофобных поверхностях, наклоненных на небольшой угол (<10о) по отношению к горизонту, при различных внешних условиях, поскольку, кроме давления воздуха, температура подложки также оказывает существенное влияние на скорость движения капли.
Для создания суперлиофобных поверхностей были подготовлены подложки монокристаллического кремния с размерами 18×12×0,5 мм, которые прошли многоэтапную очистку для удаления органических соединений и прочих загрязнений. Стенд для текстурирования поверхностей состоял из наносекундного лазера, оптических элементов, системы позиционирования и управляющего компьютера. Паттерн обработки материала задавался при помощи системы позиционирования, которая была синхронизирована с лазером и управлялась при помощи контролирующего компьютера. По данным оптического профилометра было установлено, что полученная текстура имеет вид пирамид с высотой порядка 5 мкм и основанием около 40 мкм. Затем был нанесен тонкий (100 нм) слой фторполимера.
В качестве рабочей жидкости молодой исследователь выбрал глицерин, так как он обладает более низким давлением насыщенных паров, по сравнению с водой, что способствует его использованию в вакууме, а также при нагреве подложки. При таких условиях вода слишком быстро выкипала бы, что не позволяло бы исследователям наблюдать происходящие в ходе эксперимента процессы. Кроме того, глицерин обладает более высокой вязкостью, что минимизирует динамические эффекты в капле после ее касания с исследуемой поверхностью. Это позволяет более точно определять необходимые параметры. Кроме того, глицерин имеет схожее с водой значение поверхностного натяжения, что позволяет говорить о близких свойствах смачивания.
— Для исследования мы собрали стенд, состоящий из системы вакуумной откачки, шприцевого насоса с экспериментальной жидкостью, а также исследуемой поверхности с системой регулировки температуры. Над исследуемой поверхностью поместили управляемый компьютером шприцевой насос, из которого и подавались капли глицерина. К самой поверхности была прикреплена термопара и подведен нагревательный источник. Эти устройства позволяли контролировать и изменять температуру образца. Мы проводили свои эксперименты в широком температурном диапазоне – от комнатной температуры до 300 °С. Для измерения скорости капли жидкости использовалась теневая видеосъемка, позади стенда с шприцевым насосом и поверхности размещался источник света, а перед ними, снаружи вакуумной камеры, располагалась высокоскоростная видеокамера с макро-объективом, — объяснил Никита Смирнов.
Исследования суперлиофобности материалов проводились путем измерения скорости движения капли глицерина по наклонной поверхности. Она была наклонена под углом 7,9° относительно горизонта. Именно при таком наклоне достигалось свободное движение капли жидкости при атмосферном давлении и комнатной температуре. Аналогичным образом проводились и эксперименты в разреженной атмосфере. Перед этими экспериментами образец подвергали дегазации в вакуумной камере, откачивая воздух в течение суток при нагреве до 200 °С, и только после этого приступали к исследованиям. Все эксперименты фиксировались на высокоскоростную видеокамеру. Далее видео были разделены на кадры, каждый из которых подвергался тщательному изучению: выбиралась точка контакта, расположенная посередине контактной линии, производились измерения натекающего и оттекающего краевых углов смачивания —данные углы являются важными параметрами, которые характеризуют взаимодействие жидкости с поверхностью.
— В ходе экспериментов было установлено незначительное снижение скорости движения капель в разреженной атмосфере при комнатной температуре. Полученные результаты свидетельствуют об определяющем вкладе температурной зависимости вязкости в характер движения капли при атмосферном давлении. Для экспериментов в условиях разреженной атмосферы нами было выдвинуто предположение о решающем вкладе в движение капли температурной зависимости давления насыщенных паров жидкости. Мы предположили, что освободившиеся от атмосферного воздуха поры заполняют пары жидкости, которые и обеспечивают сохранение суперлиофобности. В результате мы установили, что для сохранения свойств смачивания данных поверхностей вполне достаточно и низкого давления паров жидкости. Кроме того, мы сопоставили экспериментальные данные при атмосферном давлении с численным моделированием с использованием метода VOF кода Basilisk, и отметили хорошее согласие между ними, — рассказал Никита Смирнов.
В дальнейшем молодой исследователь намеревается продолжить исследования в рамках обучения в магистратуре Физического факультета НГУ. Свои эксперименты он проводит в Лаборатории 10.1 Института теплофизики им. С.С Кутателадзе СО РАН. Данная лаборатория занимается лазерными технологиями и их приложениями в теплофизике.
Материал подготовил: Елена Панфило, пресс-служба НГУ
Примите к сведению; Эта информация является необработанным контентом, полученным непосредственно от источника информации. Она представляет собой точный отчет о том, что утверждает источник, и не обязательно отражает позицию MIL-OSI или ее клиентов.
.