Ученые выяснили, почему капли жидкости отскакивают от поверхностей

Отскакивающая капля. Автор: Антон Суслов

Когда крошечная капля жидкости размером с крупинку сахарной пудры попадает на водоотталкивающую поверхность, такую как пластик или листья некоторых растений, она может либо прилипнуть, либо отскочить. До недавнего времени ученые считали, что отскок зависит только от степени гидрофобности поверхности и того, как капля теряет энергию удара. Скорость, как предполагалось, не имела значения.

Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что скорость на самом деле является решающим фактором — и капли отскакивают только в «зоне Златовласки», то есть в определенном диапазоне скоростей.

«Отскок происходит только в очень узком скоростном окне, — заявил Джейми Маклоклан, первый автор исследования и аспирант Университета Бата. — Если капля движется слишком медленно, она прилипает. Слишком быстро — и снова прилипает. Отскок возможен только в промежуточном диапазоне, где достаточно импульса для отрыва от поверхности, но не настолько много, чтобы капля схлопнулась обратно».

Исследователи также обнаружили эффект размера: слишком маленькие капли не могут отскакивать независимо от их скорости. Исследование показало, что вязкость жидкости накладывает фундаментальное ограничение по размеру, предотвращая отскок мельчайших капель.

Для изучения явления ученые использовали высокоскоростные камеры, чтобы зафиксировать капли шириной всего 30–50 микрометров, ударяющиеся о водоотталкивающие поверхности со скоростью 1–10 метров в секунду. Камеры замедляли события в 100 000 раз и увеличивали изображение достаточно, чтобы выявить детали тоньше человеческого волоса, которые затем сравнивались с компьютерным моделированием.

Они также разработали простую пружинную модель для объяснения поведения. Внутри капли одновременно происходит множество微小ших движений, что делает полное моделирование слишком сложным. Модель рассматривает каплю как крошечную пружину, учитывая ключевые силы — адгезию поверхности, вязкость, поверхностное натяжение и скорость (инерцию).

«Примечательно, что такой сложный процесс можно описать всего двумя простыми уравнениями, — отметил доктор Адам Сквайрс из Университета Бата. — Система, состоящая из нескольких масс, пружин и демпфера, в сочетании с небольшим набором правил, смогла воспроизвести сложное поведение реальных капель».

Результаты имеют широкое практическое применение. В полиграфии понимание скоростного окна для отскока помогает обеспечить надежное нанесение чернил на гидрофобные поверхности. В сельском хозяйстве это предлагает способы предотвращения отскока пестицидов с листьев. А в здравоохранении это проливает свет на то, как респираторные капли могут прилипать к поверхностям или оставаться в воздухе, влияя на распространение заболеваний.

«Захватывающая часть заключается в том, что наши результаты дают четкие стратегии управления каплями, — поделился доцент Антон Суслов, автор корреспонденции статьи из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. — Например, использование более гидрофильных покрытий может подавить отскок в широком диапазоне условий. Это напрямую связано с технологиями — от покрытий до контроля аэрозолей».

В качестве следующих шагов исследователи хотят изучить, как другие факторы влияют на поведение капель, такие как электрический заряд, вязкоупругие жидкости, которые частично ведут себя как твердые тела, и поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение (как мыло), широко распространенные в биологических каплях.

ИИ: Это исследование демонстрирует, как фундаментальная физика может иметь непосредственное практическое применение в самых разных областях — от медицины до сельского хозяйства. Особенно актуально это выглядит в контексте понимания механизмов распространения респираторных заболеваний через аэрозоли.

Больше информации: Jamie McLauchlan et al, Bouncing microdroplets on hydrophobic surfaces, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2507309122

Источник: University of Cambridge