Hecksher, Tina

Danish

Roskilde Universitet

RoskildeUniversityPandekagehoppetStuderendes forsøg med vandballoner gør os klogere på ekstremt vandafvisende overfladerHecksher, TinaPublished in:Aktuel NaturvidenskabPublication date:2016Document VersionOgså kaldet Forlagets PDFCitation for published version (APA):Hecksher, T. (2016). Pandekagehoppet: Studerendes forsøg med vandballoner gør os klogere på ekstremtvandafvisende overflader. Aktuel Naturvidenskab, 2016(6), 16-18.General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.            • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.            • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain.            • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact rucforsk@ruc.dk providing details, and we will remove access to thework immediately and investigate your claim.Download date: 02. Dec. 2021En gruppe førsteårsstu-derende på Roskilde Universitet har vist, at vandballoner opfører sig næsten præcis som bittesmå vanddråber. Det har de gjort ved at studere, hvordan vandballoner hopper, dels på en fl ad overfl ade og – måske mere overraskende – på et sømbræt. Deres arbejde er for nyligt publiceret i tidsskriftet European Journal of Physics i samarbejde med professor i fysik ved Oxford University Julia Yeo-mans. Forsøgene med vandballoner-ne var nemlig inspireret af hendes PANDEKAGE-HOPPETStuderendes forsøg med hoppende vandballoner gør os klogere på ekstremt vandafvisende overfl ader.Forfatteren tidligere artikel i Nature Physics i 2014, som omhandlede vanddrå-bers hop på hydrofobe overfl ader med struktur på mikrometerskala.Vandafvisende overfl aderKendere af fysisk kemi ved, at hydro-fob betyder vandskyende, og at det har noget at gøre med interaktioner mellem molekyler. Hydrofobe mole-kyler (eller hydrofobe dele af moleky-ler) blander ikke godt med vand, så hydrofobe overfl ader er altså vand-afvisende. Man kan tydeligt kende hydrofobe overfl ader på, at vand på overfl aden kupler op i små perler i stedet for at brede sig ud og “væde” overfl aden. Hydrofobe overfl ader er karakteriseret ved, at kontaktvinklen er mere end 90º. Superhydrofobe overfl ader er ekstremt vandafvisen-de, og de defi neres ved at have en kontaktvinkel på over 150º. For at opnå så store kontaktvinkler på ma-terialer har man hentet inspiration i naturen: Lotusblomsten er kendt for, at vand ligger som perler oven-på overfl aden og triller af. Med et elektron-mikroskop kan man se, at overfl aden på lotusblomsten består af små hår eller pigge, der løfter vandet op fra overfl aden af bladet. Denne type overfl ade kan man også lave kunstigt, og vanddråber, der Tina Hecksher er lektor i fysik, tilknyttet Glas og Tid centeret ved Institut for Natur-videnskab og Miljø, Roskilde Universitet, og var projektvejleder for studentergruppen.tihe@ruc.dk16 A K T U E L  N A T U R V I D E N S K A B  |  N R . 6  |  2 0 1 6ligger på sådan en overfl ade, kaldes også fakirdråber.PandekagehopMan har længe vidst, at vanddrå-ber, der rammer en hydrofob over-fl ade, kan hoppe ligesom en bold. Ved lave hastigheder sammentryk-kes dråben en anelse for dernæst at trække sig sammen og hoppe op igen. Ved lidt højere hastigheder mases vanddråben fuldstændig fl ad mod underlaget, før den trækker sig sammen og hopper af overfl aden. Det, der får dråben til at trække sig sammen igen, er overfl ade-spændingen. Overraskende nok er kontakttiden – altså den tid, som vanddråben rører overfl aden, når den hopper – uafhængig af den has tighed, dråben rammer med.Den nye opdagelse, som Julia Yeo-mans og hendes kolleger beskrev i 2014 i Nature Physics, er, at dråber, der rammer en superhydrofob over-fl ade, hopper af, når de er allermest fl admast. De kaldte derfor effekten for “pandekagehop” (på engelsk: "pancake bounce"). Vanddråberne hopper simpelthen af overfl aden, inden de har trukket sig sammen igen. Det reducerer kontakttiden, så den er fi re gange kortere end på en almindelig hydrofob overfl ade. Hvordan kan det lade sig gøre? Fra vanddråber til vandballonerTo betingelser skal være opfyldt: Først og fremmest skal mikrostruk-turen være dyb nok, til at vand kan trænge ned i strukturen uden at ramme bunden. Dernæst skal kolli-sionparametrene være rigtige. Kol-lisionparametrene kan kvantiseres ved det såkaldte Webertal, der er et dimensionsløst tal, som angiver for-holdet mellem den kinetiske energi af dråben og overfl adeenergien, som er givet ved produktet af overfl ade-spænding og overfl adeareal.Når en vanddråbe ligger på fx en glasplade, fl yder vandet ud på glasfl aden, og kontaktvink-len θ bliver mindre end 90°. Det er fordi, glas udgør en hy-drofi l overfl ade. Hvis overfl aden er fedtet – og dermed hydrofob – vil vanddråben trække sig sammen, så kontaktfl aden mindre. Kontaktvinklen bliver dermed større end 90°. Ved kontaktvinkler over 150° kal-des overfl aden superhydrofob. En sådan overfl ade kan realise-res ved at lave en struktur på en hydrofob overfl ade (fx små pigge), der minimerer kontakt-fl aden. Kontaktvinkel og (super)hydrofobe overfl aderOverfl adespændingEn vanddråbe holdes sammen af dens overfl adespænding. Over-fl adespænding er et resultat af, at vandmolekylerne indbyrdes tiltrækker hinanden. Disse kræfter rækker ikke særlig langt, typisk vil et molekyle kun “mærke” sine nærmeste naboer. Et molekyle inde i dråben vil således “blive trukket” lige meget i alle retning-er og dermed ikke opleve nogen resulterende kraft. Et molekyle i overfl aden har kun nabomolekyler på den ene side og vil derfor blive Vandmolekyle inde i dråben trækkes i alle retningerVandmolekyle ved    overfladen trækkes      indadVanddråbeNormal overfladeWebertalletWe = [kinetisk energi] / [overfl ade energi] = ρRv2/γhvor ρ er densiteten, R er radius af dråben, v er kollisionshastigheden og γ er overfl adespændingen.Superhydrofob overfladetrukket ind mod midten. Det giver en slags elastisk overfl ade, der hol-der sammen på dråben, selv hvis den deformeres.På et lotusblad ligger vand som små perler på overfl aden og triller nemt af, uden at bladet bliver vådt. I et elektronmikroskop kan man se, at overfl aden på bladet er dækket af små pigge, der løfter vandet og dermed minimerer kontaktfl aden med bladet.Hydrofob overflade17A K T U E L  N A T U R V I D E N S K A B  |  N R . 6  |  2 0 1 6Videre læsning:Jonas Andersen Broet al.: The macrosco-pic pancake bounce. European Journal of Physics, 2017. Vol. 38, 015006. Pancake bouncing balloons (video): www.youtube.com/watch?v=hpsnxFhEg-TI&t=11s, 2015.Yahua Liu et al.: Panca-ke bouncing on super-hydrophobic surfaces. Nature Physics, 2014. Vol. 10, s. 515-519Alex Larsen et al.: Pan-cake bounce, studenter rapport RUC, 2015. http://rudar.ruc.dk/handle/1800/24942"When water balloons hit a bed of nails ans don't pop", New York Times, 2016/12/23.For en overfl adestruktur, der ligner små tætsiddende pigge, viser det sig, at vanddråber laver pandekage-hop, når Webertallet er større end 12. Da har den væske, der trænger ned mellem piggene og skydes op igen pga. frastødning, nok kinetisk energi til at løfte vanddråben fra overfl aden. Med vandballonprojektet, ville gruppen undersøge, om de kunne reproducere pandekagehoppet på makroskopisk skala. Ideen var, at gummiet i ballonen skulle spille rollen som vanddråbens overfl ade-spænding, mens sømbrættet skulle efterligne den mikroskopiske struk-tur af den superhydrofobe overfl a-de. Når vandballonen rammer søm-brættet, trænger en del af ballonen ned mellem sømmene, og gummiet strækkes, ligesom når man hopper på en trampolin. Og ligesom når man hopper på en trampolin, slyn-ges væsken tilbage.Forskellig fysik – samme opførselDet viser sig, at ballonernes dyna-miske opførsel overraskende meget ligner vanddråbernes. Ikke alene var projektgruppen i stand til at reproducere pandekagehoppet med vandballonerne med præcis den samme reduktion i kontakttid som i det mikroskopiske eksperiment. De fandt også, at overgangen fra almin-deligt hop til pandekagehop skete ved sammenlignelige kollisions-parametre, nemlig for et Webertal mellem 8 og 10. Opførslen er altså den samme på trods af, at de fysiske processer bag er forskellig – i det ene tilfælde er det intermolekylære interaktioner, der udløser pandekagehoppet, mens det i det andet er de elastiske egenskaber af gummiet. Ved at opskalere forsøget gjorde de stude-rende det muligt nemt at måle kol-lisionskræfterne tidsopløst, hvilket giver en dybere indsigt i dynamik-ken bag pandekagehoppet. Disse superhydrofobe overfl ader og pandekagehoppet er interessante, netop fordi kontakttiden reduceres markant. Det kan have praktiske anvendelser inden for udvikling af selvrensende, anti-frost eller an-ti-dug overfl ader fx på solcelleanlæg og fl yvinger.        00,10,20,3Kraft0,4-20 0 20 40 60 80 100 12000,20,40,60,8kontakttid, normalt hopkontakttid, pandekagehop(~100 N)Tid (ms)Kraft(~100 N)t = 0 ms t = 27 ms t = 50 ms t = 133 ms t = 207 mst = 0 ms t = 15 ms t = 30 ms t = 50 ms t = 80 msUdvalgte snapshots af en vandballon, der hopper på et fl adt bræt (normalt hop) og et sømbræt (pan-dekagehop). Serierne illustrerer, at vandballonen i det første tilfælde trækker sig helt sammen til en afl ang cigar, før den slipper underlaget, mens den i pandekagehoppet slipper sømbrættet mens den er mest fl admast. Tidsangivelserne viser også, at kontakttiden (den tid, som ballonen rører underlaget, mens den hopper) er meget kortere for et pandekagehop end et normalt hop.Sammenligning af det mikroskopiske og makroskopiske pande -kagehop. Vandballonen (til højre) rammer et sømbræt og opfører sig præcis som vanddråben, der rammer en hydrofob overfl ade med struktur af små pigge i mikrometerstørrelse (til venstre), mens tids- og længdeskalaen er væsentligt forskellige.Graferne viser målinger af kollisionskræfterne i et normal hop (øverst) og et pandekagehop (nederst). Det ses, at kontakttiden er ca. 4 gange kortere for pandekagehoppet end for det normale hop. Det er også tydeligt, at dynamikken er forskellig: Det normale hop har to toppe associeret med hhv. at ballonen lander på overfl aden, og at den hopper af igen. Pandekagehoppet har kun en enkelt top, som er sinus-formet og mindre stejl end i det normale hop.To af de tre studerende i gruppen, Jonas Andersen Bro og Kasper Stern-berg, i gang med at lave eksperimenter med hoppende vandballoner.18 A K T U E L  N A T U R V I D E N S K A B  |  N R . 6  |  2 0 1 6

Pandekagehoppet:Studerendes forsøg med vandballoner gør os klogere på ekstremt vandafvisende overflader

https://forskning.ruc.dk/files/59398109/AN6_2016ballonhop.pdf

Pandekagehoppet:Studerendes forsøg med vandballoner gør os klogere på ekstremt vandafvisende overflader

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Roskilde Universitet