Описаны "скользкие" материалы нового поколения

Российские физики детально описали скольжение жидкости вдоль текстуры, пропитанной смазкой. Ученые смогли получить несколько аналитических выражений, описывающих, как ключевые характеристики скольжения зависят от параметров текстуры, а также вязкостей жидкости и смазки. Работа опубликована в Physical Review E.

Для того, чтобы снизить трение между поверхностями, ученые используют супергидрофобные поверхности — специальные текстуры, углубления которых заполнены воздухом. Авторы новой работы ранее провели и опубликовали многочисленные исследования скольжения вдоль подобных текстур. Однако в практических ситуациях супергидрофобное состояние может оказаться неустойчивым, и поэтому нужно использовать пропитку теми или иными смазочными веществами, например, маслами.

В новой работе физики из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина, МГУ имени М. В. Ломоносова описали, что происходит с жидкостью, текущей вблизи текстуры, пропитанной смазкой. Авторы рассматривали ситуацию, когда вязкость смазки была меньше вязкости текущей жидкости. Под этот случай попадают и системы «вода-воздух», и «вода-масло» и даже просто «вода-вода», то есть течение жидкости вдоль текстурированной поверхности. При помощи полуаналитической теории ученые смогли получить решения уравнений, описывающих динамику жидкости вблизи исследуемой поверхности, а также учесть наличие мениска — искривленной границы раздела между рабочей жидкостью и смазкой. Кроме того, ученые детально описали, как в этих условиях изменяется длина скольжения — параметр, который тем больше, чем меньше трение между жидкостью и стенкой.

По результатам исследования оказалось, что на поведение жидкости в основном влияют два параметра: отношение вязкостей рабочей и смазочной жидкости, а также доля поверхности, занятая смазкой. При этом влияние мениска оказалось незначительным, что оправдывает использование теоретических моделей с плоской границей раздела между жидкостями. Таким образом, управлять длиной скольжения (а значит, и режимом течения жидкости в микроканалах), можно не только за счет геометрии текстуры, но и за счет изменения вязкости смазки, что значительно проще технически.

В ближайшем будущем ученые планируют изучить влияние вязкости смазки на анизотропные свойства текстурированных поверхностей. Это позволит контролировать не только длину скольжения, но и структуру течения вблизи поверхности. Это открывает новые возможности для манипуляций со взвешенными в жидкости частицам, например, с биологическими клетками.

Результаты новой работы можно применить в нескольких прикладных областях: во-первых, для того, чтобы снизить трение между поверхностями за счет смазки. Вторая область — это микрофлюидика — дисциплина, изучающая течение жидкостей в миниатюрных устройствах, напоминающих электронные чипы, но с тонкими каналами вместо проводящих дорожек. Из-за малой толщины таких каналов в них возникает большое вязкое сопротивление, что затрудняет прокачку жидкости.