Για οδήγηση στη βροχή, είναι προτιμότερο οι σταγόνες της βροχής να κυλούν ή να αναπηδούν από το παρμπρίζ αντί να το καλύπτουν ή ακόμα και να παγώνουν. Μια ομάδα μηχανικών στη Σχολή Μηχανικών McKelvey στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις ανακάλυψε ότι η αγωγιμότητα της θερμότητας παίζει μεγαλύτερο ρόλο από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως στη δυναμική των σταγονιδίων σε λείες επιφάνειες που απωθούν το νερό.

Η Patricia Weisensee, επίκουρη καθηγήτρια μηχανολογίας και επιστήμης υλικών, και η Junhui Li, διδακτορική φοιτήτρια στο εργαστήριό της, έκαναν το εύρημα αφού χρησιμοποίησαν μεθόδους απεικόνισης υψηλής ταχύτητας για να μελετήσουν μια μικροσκοπική παγιδευμένη φυσαλίδα που σχηματίζεται όταν σταγονίδια του νερού χτύπησε μια θερμαινόμενη, λεία, υδατοαπωθητική επιφάνεια. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύονται στο Πειραματική Θερμική και Ρευστοεπιστήμη Έντυπο τεύχος 1 Ιανουαρίου 2022.

Η φυσαλίδα -με μέγεθος μόνο μερικές εκατοντάδες μικρά- σχηματίζεται μέσα σε μια σταγόνα νερού από την απορρόφηση του αέρα από κάτω της καθώς αρχίζει να σηκώνεται από την επιφάνεια.

«Δημιουργούμε τριχοειδή κύματα στο σταγονίδιο, γιατί καθώς η σταγόνα προσκρούει, συμπιέζεται και αυτό στέλνει ένα ωστικό κύμα μέσα από τη σταγόνα και δημιουργεί ένα σταγονίδιο σε σχήμα ντόνατ με τη φυσαλίδα αέρα παγιδευμένη στη μέση», είπε ο Weisensee.

Στο εργαστήριό της, η Weisensee και η Li εξέτασαν σταγονίδια νερού σε τρεις θερμαινόμενες επιφάνειες: τεφλόν και δύο υλικά που έχουν παρόμοια χημεία επιφανειών—PDMS, ένα βιοσυμβατό υλικό. και HTMS, μια υδρόφοβη επίστρωση μονοστοιβάδας με βάση το σιλάνιο. Χρησιμοποιώντας συγχρονισμένη υψηλής ταχύτητας οπτική και υπέρυθρη απεικόνιση υψηλής ταχύτητας, διαπίστωσαν ότι η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρθηκε από την λεία επιφάνεια στη σταγόνα νερού αυξήθηκε με την αυξημένη ταχύτητα εξάπλωσης. Επιπλέον, διαπίστωσαν ότι η φυσαλίδα άλλαξε σε μέγεθος και σχήμα καθώς αυξανόταν η θερμοκρασία της επιφάνειας. Είναι ενδιαφέρον ότι κατά την ανάσυρση του σταγονιδίου, το σύνολο μεταφορά θερμότητας μειώθηκε κατά 5,6% και 7,1% σε θερμοκρασίες επιφάνειας 50C και 65C, αντίστοιχα, καθώς η φυσαλίδα μείωσε τη συνολική επιφάνεια διεπαφής υγρού-στερεού. Συνολικά, όλη αυτή η διαδικασία διαρκεί μόνο μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου, αλλά μπορεί να έχει βαθιά επίδραση στην απόδοση ψύξης και σταγονίδια δυναμική των συστημάτων αυτών.

«Διαπιστώσαμε ότι η θερμική αγωγιμότητα ήταν η πιο εμφανής μορφή μεταφοράς θερμότητας κατά την πρόσκρουση σταγονιδίων κατά τη μεταφορά ή την εξάτμιση», είπε ο Weisensee.

Επιπλέον, δοκίμασαν τα σταγονίδια σε μια τραχιά επιφάνεια. Τα σταγονίδια έδειξαν μικρότερη περιοχή εξάπλωσης λόγω ενισχυμένης τριβής, μικρότερη περιοχή μεταφοράς θερμότητας και, κατά συνέπεια, χαμηλότερο ρυθμό μεταφοράς θερμότητας, που τελικά θα μείωνε την απόδοση —για παράδειγμα— των διαδικασιών ψύξης με ψεκασμό.

«Αν και χρησιμοποιήσαμε θερμαινόμενες επιφάνειες για τη συγκεκριμένη μελέτη, τα ευρήματά μας έχουν επίσης επιπτώσεις σε άλλα συστήματα όπου υπάρχουν σταγονίδια που προσκρούουν σε μια επιφάνεια, όπως ένα παρμπρίζ, ένα φτερό αεροπλάνου ή ένα πτερύγιο ανεμογεννήτριας», είπε. “Για παράδειγμα, σε κρύες συνθήκες, δεν θέλετε τα σταγονίδια να μείνουν εκεί και να παγώσουν. Η απομάκρυνση είναι σημαντική για να μην πλημμυρίσετε μια επιφάνεια ή να συσσωρεύσετε πολύ υγρό στην επιφάνεια. Επομένως, πρέπει να γνωρίζετε την αλληλεπίδραση της δυναμικής των σταγονιδίων και της μεταφοράς θερμότητας».