Определена реакция капли на электрическое напряжение в твердых телах

Впервые ученые увидели, как деформируются и взрываются капли жидкости под воздействием высокого напряжения.

По словам инженеров из университета Дюка, это очень важно, поскольку объясняет основную причину того, почему такие материалы как изоляция для линий электропередач в итоге подводят и вызывают короткие замыкания. Наблюдение не только помогает ученым развить оптимальные изоляционные материалы, но и также может привести к таким изобретениям, как настраиваемые линзы для глаз.

С увеличением напряжения капли воды или пузырьки воздуха в полимерах медленно меняют сферическую форму на более трубчатую, вызывая значительную деформацию в пределах материала. В течение долгого времени это может привести к разламыванию и выходу полимера электрической изоляции из строя, отметили ученые. Полимеры — класс «мягких» материалов, которые можно найти повсюду, обычно в качестве изолятора для электропроводки, кабелей и конденсаторов. Капли или пузыри в таких полимерах возникают в виде дефектов в процессе изготовления.

„Эффекты электрического напряжения на каплях в воздухе или жидкости изучались десятилетиями“, сказал доцент машиностроения и материаловедения Цзюань Жао из школы инжиниринга Пратта университета. „Мы используем в своих интересах понимание наэлектризованных капель в воздухе или жидкости ежедневно, например, в струйных принтерах. Однако эффекты электрического напряжения на каплях в твердых частицах никто фактически не рассматривал“.

Результаты экспериментов Жао опубликованы в издании Nature Communications.

В воздухе или жидкости капли, подвергаемые растущему напряжению, обычно преобразуются в форму конуса, которая в итоге выделяет крошечные капли из острого конца конуса. Это и есть то явление, которое используется в струйных принтерах и других подобных технологиях.

„Изменения наэлектризованных капель в твердых телах не были исследованы должным образом, поскольку сам процесс трудно наблюдать, ведь твердое тело обычно разрушается еще до того, как можно заметить преобразование капли“, сказал Жао. „Это ограничение не только препятствовало нашему пониманию наэлектризованных капелек, но и мешало развитию полимерных энерговысокоплотных конденсаторов и других устройств“.

Новое знание становится особенно важным, сказал Жао, поскольку ученые развивают новые полимеры, разработанные для того, чтобы выдерживать более высокие электрические нагрузки.

Эксперименты Жао включали инкапсулированные в разные типы полимеров электрической изоляции капли или пузырьки. С помощью специальной технологии, разработанной группой Жао, ученые наблюдали и объяснили, как возросшее напряжение заставило каплю сначала формировать остроконечную, а уж затем конусовидную форму.

„Наше исследование предлагает новый механизм отказа энерговысокоплотных диэлектрических полимеров“, сказал Жао. „Это должно помочь в развитии таких применений как новые конденсаторы для электросетей или электрического транспорта и мышцеподобных преобразователей для мягких роботов и сбора энергии“. Эксперименты также показали, как полимеры электрической изоляции деформируются или меняют форму при разных напряжениях до того, как выходят из строя.

„Кажется, просто изменяя напряжение, можно изменять форму определенных полимеров“, сказал Жао. „Одна из новых областей, которую мы исследуем — создание линз, которые могут быть произвольной формы и использоваться в офтальмологии“.

24.10.2012