EPFL araştırmacıları, bir sıvı damlacığının titreşen bir katı yüzey üzerinde birkaç dakika boyunca ve belki de süresiz olarak sıçrayabileceğini keşfetti. Görünüşte basit olan gözlemin fizik ve kimya açısından büyük etkileri vardır.
Sıcak bir tavaya sıvı eklediyseniz, damlacıkların hemen düzleşip ıslanmak yerine nasıl kabarcıklar çıkararak cızırdayan yüzey boyunca sıçradığını fark etmiş olabilirsiniz. Bunun nedeni tavanın ısısının damlacıkların alt kısımlarını kaynatmaya başlaması ve damlacıkların üzerinde anlık olarak dans edebilecekleri yalıtıcı bir yastık görevi gören buhar üretmesidir.
Daha önce bilim insanları, sıcak yüzeyi hızla titreşen bir sıvı banyosuyla değiştirerek bu olgunun (Leidenfrost etkisi olarak bilinen) oda sıcaklığındaki bir versiyonunu üretmişlerdi. Bu deneylerde titreşimler, sıvı damlacıklarının üzerinde sıçrayabileceği ve sürekli olarak havada asılı kalabileceği ince bir hava filmi oluşturdu.
Şimdi, EPFL Mühendislik Okulu’ndaki araştırmacılar deneysel olarak bir yağ damlacığının oda sıcaklığında titreşen bir katı yüzey üzerinde beş dakikaya kadar sıçrayabildiğini gösterdi.
Yumuşak Arayüzler Laboratuvarı Mühendislik Mekaniği başkanı John Kolinski şöyle açıklıyor: “Burada ilginç olan, sürekli olarak sıçrayan damlacıklara ilişkin önceki gözlemlerin, titreşen sıvı banyosunun değişen yüzeyi tarafından belirlenmiş olması, ancak bizim durumumuzda yüzey katıdır, bu nedenle damlanın kendi deformasyonları, onun benzersiz davranışını yönlendiriyor.” diye açıklıyor.
“Çalışmamız yeni fizik anlayışları sağlıyor ve havadaki küçük sıvı miktarlarının hassas manipülasyon potansiyelini vurguluyor.”
Bilim insanları gözlemlerini, bunları açıklayacak ve tahmin edecek bir modelle birlikte dergide yayınladılar. Fiziksel İnceleme Mektupları.
Deneylerinde araştırmacılar, katı bir yüzey üzerine 1,6 milimetrelik bir silikon yağı damlacığı saldılar; bu yüzeyin altında kontrollü titreşimler üreten bir sahne vardı. İlk yazar ve Ph.D. Öğrenci Lebo Molefe, bunu bir topun masa tenisi raketinde zıplatılmasına benzetiyor.
“Topu sıvı bir damlayla değiştirirsek, onun ince bir hava tabakasının üzerinde titreşen bir ‘kürek’ üzerinde sürekli olarak sıçrayabildiğini görürüz; bu bizim durumumuzda mikadan (atomik olarak pürüzsüz özel bir malzeme) yapılmıştır” diyor.
Araştırmacılar, bu titreşimlerin frekansı ve genliği ile oynayarak iki farklı damlacık davranışı ürettiler: Bazı frekanslar damlacığın bir basketbol topu gibi zıplıyormuş gibi görünmesini sağlarken, diğerleri onun mika üzerindeki ince hava yastığını hiç terk etmeden hızla yukarı ve aşağı hareket etmesini sağladı.
Molefe’nin açıkladığı gibi, bu iki durum arasındaki geçiş, damlacığın yüzeyinin aşağıdaki sert yüzeyle etkileşime girerken şişmesi ve deforme olmasıyla bağlantılıdır. “Yüzeyden ‘atlamak’ için damlanın önce düzleşmesi için yeterli zamana ihtiyacı var, bu nedenle yüzey gerilimi onun sarmal bir yay gibi enerji depolamasına neden oluyor. Yüksek titreşim frekanslarında bunun gerçekleşmesi için yeterli zaman yok, dolayısıyla damla yüzeye yakın sıkışmış gibi görünüyor.”
Akışkanlar Mekaniği ve Kararsızlıklar Laboratuvarı araştırmacısı Tomas Fullana, gözlemlerini yorumlamak için damlacığın geri tepmesinin karmaşık dinamiklerini karakterize etmeyi amaçlayan sayısal simülasyonlara öncülük ederek ekibin ölçülen sıçrama davranışlarını simüle etmesine ve doğru bir şekilde tahmin etmesine olanak tanıyan bir modelin geliştirilmesini kolaylaştırdı.
İlginç bir şekilde, damlacığın havada kalma süresinin yalnızca mika yüzeyi boyunca yanal ilerlemesiyle sınırlı göründüğünü, çünkü sonunda alttaki hava filmini parçalayan ve olağan “sıçramayı” tetikleyen bir kusurla karşılaşacağını buldular.
Aksi takdirde, diyor Fullana, “sayısal simülasyonlarımız, bir damlanın uzun bir süre boyunca ve muhtemelen süresiz olarak sıçramaya yetecek kadar kinetik enerjiyi tutabileceğini gösteriyor.”
Araştırmacılar bulgularının, bilim adamlarının oda sıcaklığında havadaki son derece küçük miktarlardaki sıvının işlenmesiyle ilgili düşüncelerini değiştirebileceğini söylüyor; bu, kimyasal saflık ve hassasiyetin çok önemli olduğu ilaç endüstrisinde önemli bir zorluk. Örneğin, bir kavram kanıtlama deneyinde EPFL ekibi, küçük basınçlı hava jetlerinden yapılmış “cımbız” kullanarak mika yüzeyinde sıçrayan damlacıkların yanlara doğru hareketini kontrol etmeyi başardı.
