Para peneliti telah menemukan bahwa tetesan cairan dapat memantul selama beberapa menit – dan mungkin tanpa batas waktu – di atas permukaan padat yang bergetar. Pengamatan yang tampaknya sederhana ini mempunyai implikasi besar bagi fisika dan kimia.
Jika Anda pernah menambahkan cairan ke dalam wajan panas, mungkin Anda memperhatikan bagaimana tetesannya menggelembung dan tersebar di permukaan yang mendesis, bukannya langsung menjadi rata dan basah. Hal ini terjadi karena panas panci mulai mendidihkan bagian bawah tetesan, menghasilkan uap yang berfungsi sebagai bantalan penyekat di mana tetesan tersebut dapat – untuk sesaat – menari.
Sebelumnya, para ilmuwan telah menghasilkan versi suhu ruangan dari fenomena ini – yang dikenal sebagai efek Leidenfrost – dengan mengganti permukaan panas dengan cairan yang bergetar cepat. Dalam percobaan ini, getaran menghasilkan lapisan tipis udara di mana tetesan cairan dapat memantul dan melayang terus-menerus.
Kini, para peneliti di Fakultas Teknik EPFL telah menunjukkan secara eksperimental bahwa tetesan minyak dapat memantul pada permukaan padat yang bergetar pada suhu kamar hingga lima menit.
“Yang menarik di sini adalah pengamatan sebelumnya terhadap tetesan yang memantul secara terus-menerus ditentukan oleh perubahan permukaan cairan yang bergetar, namun dalam kasus kami permukaannya padat, sehingga deformasi tetesan itu sendiri yang mendorong perilaku uniknya,” jelas John Kolinski, kepala Mekanika Teknik di Lab Antarmuka Lunak. “Pekerjaan kami memberikan wawasan fisika baru dan menyoroti potensi manipulasi presisi sejumlah kecil cairan di udara.”
Para ilmuwan telah mempublikasikan pengamatan mereka, bersama dengan model untuk menjelaskan dan memprediksinya, dalam jurnal Surat Tinjauan Fisik.
Presisi farmasi
Dalam percobaan mereka, para peneliti melepaskan tetesan minyak silikon berukuran 1,6 milimeter di atas permukaan padat, di bawahnya terdapat sebuah panggung yang menghasilkan getaran terkontrol. Penulis pertama dan kandidat PhD Lebo Molefe mengibaratkannya seperti menjaga bola tetap memantul di atas dayung tenis meja. “Jika kita mengganti bola dengan setetes cairan, kita akan menemukan bahwa bola tersebut dapat terus-menerus memantul di atas lapisan udara tipis pada ‘dayung’ yang bergetar, yang dalam kasus kami terbuat dari mika – bahan khusus yang halus secara atom,” katanya.
Dengan mempermainkan frekuensi dan amplitudo getaran ini, para peneliti menghasilkan dua perilaku tetesan yang berbeda: beberapa frekuensi membuat tetesan tampak memantul seperti bola basket…
…sementara yang lain membuatnya bergerak cepat ke atas dan ke bawah tanpa meninggalkan bantalan udara tipis di atas mika.
Seperti yang dijelaskan oleh Molefe, transisi antara kedua keadaan ini terkait dengan bagaimana permukaan tetesan tersebut menggembung dan berubah bentuk saat berinteraksi dengan permukaan kaku di bawahnya: “Untuk 'melompat' dari permukaan, tetesan memerlukan waktu yang cukup untuk menjadi rata terlebih dahulu, sehingga tegangan permukaan menyebabkannya menyimpan energi seperti pegas yang melingkar. Pada frekuensi getaran yang tinggi, tidak ada cukup waktu untuk hal ini terjadi, sehingga tetesan tersebut tampak tertahan di dekat permukaan.”
Untuk menafsirkan pengamatan mereka, peneliti Laboratorium Mekanika Fluida dan Instabilitas Tomas Fullana memimpin simulasi numerik yang bertujuan untuk mengkarakterisasi dinamika kompleks dari pantulan tetesan, memfasilitasi pengembangan model yang memungkinkan tim untuk mensimulasikan dan secara akurat memprediksi perilaku pantulan yang diukur.
Menariknya, mereka menemukan bahwa waktu melayang tetesan tersebut tampaknya hanya dibatasi oleh pergerakan lateralnya melintasi permukaan mika, karena pada akhirnya tetesan tersebut akan mengalami cacat yang memecahkan lapisan udara di bawahnya, sehingga memicu 'percikan' yang biasa terjadi. Jika tidak, kata Fullana, “simulasi numerik kami menunjukkan bahwa penurunan dapat mempertahankan energi kinetik yang cukup untuk memantul dalam jangka waktu lama, dan mungkin tanpa batas waktu.”
Para peneliti mengatakan temuan mereka dapat mengubah cara berpikir para ilmuwan tentang penanganan cairan dalam jumlah sangat kecil di udara pada suhu kamar – sebuah tantangan penting dalam industri farmasi, di mana kemurnian dan presisi bahan kimia adalah yang terpenting. Misalnya saja, dalam percobaan pembuktian konsep, tim EPFL berhasil mengendalikan pergerakan ke samping dari tetesan yang memantul di permukaan mika, menggunakan 'penjepit' yang terbuat dari pancaran kecil udara bertekanan.
Referensi
Tetesan Dapat Terus-menerus Memantul di Atas Benda Padat yang Dapat Dibasahi yang Bergetar. Lebo Molefe, Tomas Fullana, François Gallaire, dan John M. Kolinski. Fis. Pendeta Lett. https://doi.org/10.1103/w3qq-cnj3
Tetesan minyak silikon memantul di atas permukaan mika yang bergetar. 2025 EMSI LFMI EPFL CC OLEH SA
Keadaan terikat tetesan (terkunci pada benda padat yang bergetar di atas lapisan udara tipis) 2025 EPFL CC BY SA
Tetesannya dalam keadaan memantul dengan pantulan amplitudo tinggi. 2025 EMSI LFMI EPFL CC OLEH SA
