چگونه قطرات مایع سطوح سخت را تغییر شکل می‌دهند؟

مطالعات اخیر نشان می‌دهد چگونه قطرات مایع توانایی فرسایش سطوح سخت را دارند. این کشف به مهندسان کمک می‌کند تا موادی با مقاومت بیشتر در برابر فرسایش طراحی کنند. در این مطالعات از تکنیک جدیدی توسعه یافته استفاده شده است که در آن محققان توانستند مقادیر ناچیز اما بسیار مهم تنش برشی و فشار ایجاد شده در اثر برخورد قطرات مایع با سطح را اندازه بگیرند.

این مقاله در «Nature Communications» منتشر شده است. «شیانگ چنگ» نویسنده ارشد مقاله و دانشیار گروه مهندسی شیمی و علوم مواد دانشگاه «مینه سوتا» توضیح داد: « جملات مشابهی در فرهنگ‌های غربی و شرقی وجود دارد که می‌گوید: آب نرم می‌تواند سنگ سخت را سوراخ کند. اما آیا کسی به دنبال آن رفته است که چرا چنین قطرات نرمی می‌توانند سنگ را سوراخ کنند؟  این سوال انگیزه ما برای این مطالعه بود.»

در گذشته برخورد قطعات با سطح سخت تنها با استفاده از دوربین‌های پرسرعت ثبت می‌شد تا به صورت بصری تجزیه و تحلیل شود. در این روش جدید، محققان از میکروسکوپ تنشی با سرعت و دقت بالا استفاده کردند تا نیرو، تنش و فشاری که قطرات به سطح وارد می‌کنند را به صورت مستقیم اندازه بگیرند.

محققان دریافتند نیروی اعمال شده توسط یک قطره در واقع در سطح پخش می‌شود. به عبارت دیگر، به جای اینکه یک قطره نیروی خود را در همان نقطه وارد کند، آن را در سطح سخت به صورت دایروی پخش می‌کند و یک شوک به سنگ می‌دهد. وقتی قطرات به صورت متوالی به سنگ می‌خورند، انگار یک بمب به سطح سخت برخورد کرده و انرژی ضربه‌ای به صورت انفجاری آزاد می‌کند. همین مسئله به مرور زمان سبب فرسایش سطح می‌شود.

این تحقیق علاوه بر آنکه به پاسخ سوال مذکور می‌رسد، این امکان را به مهندسان می‌دهد تا سطوح مقاوم‌تر در برابر فرسایش ایجاد کنند. این سطوح در طراحی قطعاتی که باید به صورت مداوم در برابر فرسایش باشند، بسیار کاربرد دارد.

چنگ گفت: «به عنوان مثال، ما می‌توانیم سطح ساختمان را با چنین موادی پوشش دهیم و یا تیغه‌های توربین بادی را به منظور محافظت پوشش دهیم. استفاده از این مواد به ما کمک خواهد کرد تا تنش موجود را کاهش دهیم و به دنبال آن فرسایش را به حداقل برسانیم.»