Vettähylkiville aineille on kova kysyntä. Ulkoiluvaatteissa ja autojen tuulilaseissa ominaisuus helpottaa elämää, mutta esimerkiksi lentokoneiden ulkopinnoilla se on myös tärkeä turvallisuustekijä: siipiin kertyvät vesipisarat vaikuttavat jäätyessään nosteeseen ja lento-ominaisuuksiin.

Zürichin teknillisessä yliopistossa (Eidgenössische Technische Hochschule eli ETH) on kehitetty superhydrofobinen materiaali, jonka pinnalta vesipisarat pomppaavat kuin trampoliinilta – ikäänkuin aine olisi allergista vedelle. 

Dimos Poulikakoksen johtama tutkijaryhmä tarkasteli millimetrin läpimittaisten vesipisaroiden käyttäytymistä erikoisrakenteisella silikonipinnalla. Kun ilmanpainetta alennettiin noin kahdeskymmenesosaan normaalista, pisarat alkoivat pomppia, vieläpä niin, että pomppu pompulta ne kohosivat korkeammalle – kuin trampoliinilla hyppivä ihminen.

Erona on mittakaavan lisäksi se, että pinta ei ollut joustava, vaan kiinteä. Äkkiseltään moinen vaikuttaa fysiikan lakien räikeältä rikkomukselta, sillä kiinteälle pinnalle putoavan kappaleen ei pitäisi saada mistään lisää energiaa. Jos jokainen pomppu kohottaa vesipisaran aiempaa korkeammalle, jostain energiaa on kuitenkin tultava.

Tutkijat lähtivat selvittämään arvoitusta tarkastelemalla yksityiskohtaisesti pisaroiden liikettä ja lämpötilajakaumaa niiden sisällä. Tuloksena oli, että ilmiön taustalla on veden haihtumisen ja pintamateriaalin mikrorakenteen sopiva yhdistelmä. Pisaran ja pinnan väliin syntyvä ylipaine antaa tarvittavan lisäenergian.

Jos pisaran lämpötila on alle nollan celsiusasteen, veden sanotaan olevan alijäähtynyttä. Silloin haihtuminen voi nopeutua, kun jäätyvän pisaran lämpötila – jälleen järjenvastaisesti – äkkiä nouseekin. Kun veteen alkaa muodostua jääkiteitä, olomuodon muutos nestemäisestä kiinteäksi vapauttaa lämpöä, joka nostaa vesipisaran lämpötilan nopeasti nollaan asteeseen. 

 

 

"Lämpeneminen tapahtuu muutamassa millisekunnissa", selittää tutkijaryhmään kuulunut Tom Schutzius. "Seurauksena on räjähdysmäinen höyrystyminen."

Se saa pisaran jälleen jäähtymään ja sama toistuu – paitsi että muodostuva ylipaine kasvaa vielä suuremmaksi ja vesipisara sinkoutuu ylöspäin kuin raketti.

Keskeinen tekijä on kuitenkin pinnan rakenne. Sen on oltava epätasainen, jotta vesipisara ei takerru siihen, mutta jos pinta on liian rosoinen, vapautuva vesihöyry karkaa epätasaisuuksien kautta eikä ehdi saada aikaan pomppuefektiä. ETH:ssä kehitetty silikonipinta muodostuu muutaman mikrometrin läpimittaisista "pylväistä", jotka ovat säännöllisissä riveissä noin viiden mikrometrin välein. 

Jotta ilmiöstä olisi hyötyä arkimaailman sovelluksissa, se on saatava toimimaan myös normaalissa ilmanpaineessa. Jatkossa Poulikakoksen tutkijaryhmä tähtää juuri siihen. 

Lentokoneiden lisäksi mahdollisia käyttökohteita olisivat korkeajännitelinjat, jotka tietyissä olosuhteissa keräävät helposti jäätä, ja tiepinnoitteet, jotka hylkisivät vettä ja jäätä.

Tutkimuksesta kerrottiin ETH:n uutissivuilla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen). 

Kuva: Digit Works/ETH Zurich; video: Schutzius et al./Nature

 


Juttuja samasta aiheesta