29.01.2013

Представлена методика расчёта образования водяных плёнок

В больших количествах вода склонна заполнять любые сосуды, а вот в тонких плёнках ей не до неровностей: она растекается даже по изогнутой (микроскопически) поверхности, не образуя луж. Если стенки у сосуда неровные, то поверхность плёнки, напротив, стремится (спасибо силам поверхностного натяжения) быть ровной. При этом жидкость принимает то состояние, на которое уходит меньше энергии. И если на образование крохотных капель требуется меньше усилий, чем формирование плёнки, то последняя и не образуется, оставляя лишь легко скатывающиеся капли. Именно это мы наблюдаем, рассматривая росу на своих ботинках после утренней прогулки.

Гораздо хуже ситуация, когда поверхность такова, что для воды энергетически более выгодно образование сплошной плёнки: тогда предметы намокают на порядок быстрее, их поверхность передает электрический ток и так далее. Где пролегает граница между этими состояниями?

Исследователи из Института динамики и самоорганизации Общества Макса Планка (Германия) разработали теорию этого процесса, эффективно объясняющую наблюдаемые явления.

Для чего это нужно? Гидрофобные материалы заметно прогрессируют: не так давно впервые продемонстрированы даже супергидрофобные поверхности. Вот только пока такие разработки — это скачка на лошадях через поле с барьерами, притом что и у животного, и у всадника глаза плотно завязаны. Иными словами, теории нет. Практические результаты достигаются за счёт искусственного создания недешёвых материалов с однородной в микроскопическом масштабе поверхностью, содержащей одинаковые инженерно запрограммированные неровности. Расчёт их прост, однако в реальной жизни микроскопически однородные поверхности встречаются редко. У большинства из них размер поверхностных неровностей колеблется от нанометров до микрометров.

Немецкие физики под руководством Стефана Гермингауза (Stephan Herminghaus) утверждают, что, учитывая всего два фактора — контактный угол и давление насыщенного пара, можно получить весьма точное представление о поведении жидкости на поверхности и о моменте образования водной пленки на ней. Для этого нужно использовать усредненные значения высот и впадин на поверхности материалов в микромасштабе. Поскольку поперечные размеры таких неровностей на практике почти не имеют значения, оптимизировать их гидрофобность можно при помощи относительно простых расчётов, «школьной математики». Более того, на идеально гладких поверхностях, таких как у некоторых видов стекла, даже давление насыщенного пара можно не учитывать.

Уже в ближайшее время новые теоретические выкладки могут быть использованы для прогнозирования условий образования плёнок, к примеру, на трансформаторных подстанциях, где множество керамических поверхностей по мере износа и воздействия непогоды приобретают как раз такие неровности, которые благоприятствуют образованию водной плёнки. Последняя, увы, токопроводна (в отличие от непроводящей росы) и способна вызвать короткое замыкание. Учёные обещают точно определить момент, когда нужно принимать профилактические меры, а также дать их исчерпывающее описание.

Подготовлено по материалам Института динамики и самоорганизации Общества Макса Планка.

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА