Wzmacnianie powierzchniowe: Dlaczego krople sącza się lub formują w kulę

Tug-of-war na krawędzi kaplicy

Postaw kaplicę na płaskim solidzie i spojrzyj dokładnie tam, gdzie się spotykają ciecz, sól i otaczający ją powietrze — linia kontaktowa. Trzy napięcia graniczne działają jednocześnie na tę linię: napięcie sól-powietrze γSV chce zmniejszyć obszar suchej soli, napięcie sól-ciecz γSL chce zmniejszyć obszar wilgotnego powierzchni, a napięcie ciecz-powietrze γLV działające po wybrukowanej powierzchwinie kaplicy przyciąga linię kontaktową w górę i do środka. Kaplica osiedla się tam, gdzie te trzy napięcia są równoważne.

Równanie Younga

Thomas Young w 1805 roku obliczył równowagę jedynie na podstawie geometrii i równowagi sił po stronie powierzchni ciała stałego. Wynik to pojedyncze równanie dla kąta kontaktowego równowagowego θ, pomiar którego prowadzi od powierzchni ciała stałego do krawędzi kapilatu:

γ_SV = γ_SL + γ_LV · cos(θ) θ < 90° wilgotne (hidrofiliczne — rozszerza się, niskie γ_SL) θ ≈ 90° neutralne θ > 90° niewilgotne (hidrofobiczne — formuje się kuli, niskie γ_SV / wysokie γ_SL) θ > 150° nadhidrofobiczne Mały kąt kontaktowy oznacza, że kapilat płaskiznęje, aby minimalizować wysokoenergowe powierzchnię solid-vapor, którą inaczej by wyexponował — woda rozszerza się łatwo na czystym szkłu, czyli na wysokiej energii powierzchniowej. Duży kąt kontaktowy oznacza, że jest tańsze spełnić energię powierzchniową utrzymując ciało stałego głównie suchym i pozwalając na zjawienie się się w formie kulistej płynowi, co wyjaśnia, dlaczego woda formuje kule na wosku lub wielu polimerach.

γ_SV = γ_SL + γ_LV · cos(θ)

θ < 90°   wetting        (hydrophilic — spreads out, low γ_SL)
θ ≈ 90°   neutral
θ > 90°   non-wetting    (hydrophobic — beads up, low γ_SV / high γ_SL)
θ > 150°  superhydrophobic

Powierzchnie rzeczywiste są nieprzerywane: wzmacniacz Wenzela

Równowaga Younga zakłada płaską, chemicznie jednorodną sól. Rzeczywiste powierzchnie są teksturyzowane, a textura zmienia rachunek energii, ponieważ płyn dotyka większej ilości rzeczywistego powierzchniowego materiału niż sugeruje jego płaski stopień kontaktowy. W 1936 roku Robert Wenzel pokazał, że jeśli płyn w pełni wypełnia nieporęczność, kąt widziany θ* jest związany z kątem powierzchniową θ przez czynnik nieporęczności r (proporcja rzeczywistej powierzchni do powierzchownej, zawsze ≥ 1):

cos(θ*) = r · cos(θ) (stanie Wenzela – płyn wypełnia grooves) Ponieważ r > 1, prawo Wenzela jest wzmacniaczem: powierzchnia, która była już hidrofiliczna przy płaskości, staje się bardziej hidrofiliczna po teksturyzacji, a powierzchnia, która była już hidrofobiczna, staje się bardziej hidrofobiczna. Nieporęczność nigdy nie obraca znaku tendencji wilgotności – ujawnia tylko jej ekstremalizm.

cos(θ*) = r · cos(θ)      (Wenzel state — liquid fills the grooves)

Efekt Cassie-Baxter i efekt lotosu

Cassie i Baxter opisały w 1944 roku drugi, bardzo różny wynik: zamiast wypełniać grooves, kroplka może bridge się nad szczelinami, blokując pudełka powietrza pod nimi. Kroplka potem właściwie opiera się na powierzchni złożonej z sól i powietrza, a ponieważ powietrze to najmniej węglanowata powierzchnia (jej kąt kontaktowy wynosi 180°), widziany kąt kontaktowy wzrasta szybko, ważony przez ułamek rzeczywistego kontaktu z sólą, ϕ:

cos(θ*) = φ·cos(θ) + (φ - 1) (stany Cassie-Baxter — pudełka powietrza blokowane pod kroplką) Liście lotosu połączone są lekkim pokryciem węglanowatym z mikroskalowym teksturą, która na nanoskalowym poziomie jest pokryta krystalemi węglanowatymi. Wynik evolucji spowodował, że liście te pozostają stabilnie w stanie Cassie-Baxter z bardzo małym ϕ. Wynikiem jest kąt kontaktowy powyżej 150°, woda, która rzuca się na najmniejszy nachylenie, i zbieranie cząsteczek ziemi podczas ruchu — efekt samonadzwaniający się „efekt lotosu”, który zainspirował całe pole badań nad pokryciami super-węglanowatymi.

cos(θ*) = φ·cos(θ) + (φ - 1)      (Cassie-Baxter state — air pockets trapped under the droplet)

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Surface Wetting i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.