Как изменить смачиваемость

Явление смачивания играет огромную роль в жизни многих растений и животных, помогая им как добывать влагу, так и защищаться от ее излишков. Например, водоплавающие животные и птицы умеют в буквальном смысле выходить сухими из воды, а колючки некоторых кактусов способны поглощать влагу прямо из воздуха. Человек всегда старался не отставать от братьев своих меньших, с древнейших времен используя законы природы в своей хозяйственной деятельности. В последние годы появился целый ряд новых многообещающих технологий, основанных на эффекте смачивания.

«ЛЮБИТ» ИЛИ «БОИТСЯ»?

Всем известно, что, если поместить каплю жидкости на плоскую поверхность, она либо растечется по ней, либо примет округлую форму. Причем размер и выпуклость (величина так называемого краевого угла) лежащей капли определяется тем, насколько хорошо она смачивает данную поверхность. Явление смачивания можно объяснить следующим образом. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого тела, жидкость стремится собраться в капельку. Так ведет себя ртуть на стекле, вода на парафине или на «жирной» поверхности. Если же, наоборот, молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого тела, жидкость «прижимается» к поверхности, расплывается по ней. Это происходит с каплей ртути на цинковой пластине или с каплей воды на чистом стекле. В первом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность (краевой угол больше 90°), а во втором — смачивает ее (краевой угол меньше 90°). Иначе говорят, что в первом случае поверхность по отношению к данной жидкости лиофобна (от греч. лио — растворяю, фобио – бояться), а во втором — лиофильна (филио — любить).

ГЛАВНОЕ — СМАЗКА

Таким образом, все определяется силой взаимного притяжения молекул жидкости и твердого тела, которая в свою очередь зависит как от природы жидкости, так и от свойств поверхности. Можно ли управлять этими свойствами? Оказывается, да. Растения и животные в процессе эволюции придумали для этого множество остроумных способов. Из них самый очевидный — смазать поверхность тонким слоем вещества, «любящего» или «не любящего» данную жидкость. В случае воды говорят о гидрофильных и гидрофобных покрытиях. Легко проверить, что, если намазать поверхность стекла маслом, ее водоотталкивающие свойства возрастут, а если вместо масла взять мыло – наоборот, уменьшатся.

Именно водоотталкивающая смазка помогает многим животным спасаться от излишнего намокания. Например, исследования морских животных и птиц – котиков, тюленей, пингвинов, гагар – показали, что их пуховые волосы и перья обладают гидрофобными свойствами, тогда как остевые волосы зверей и верхняя часть контурных перьев птиц хорошо смачиваются водой. В результате между телом животного и водой создается воздушная прослойка, играющая значительную роль в терморегуляции и теплоизоляции.

«ЭФФЕКТ ЛОТОСА»

Но смазка это еще не все. Немалую роль в явлении смачивания играет и структура поверхности. Шероховатый, бугристый или пористый рельеф может улучшить смачивание. Вспомним, к примеру, губки и махровые полотенца, прекрасно впитывающие воду. Но если поверхность изначально «боится» воды, то развитый рельеф лишь усугубит ситуацию: капельки воды будут собираться на выступах и скатываться.

На этом основан так называемый «эффект лотоса». Лотос издревле почитается на Востоке как символ чистоты — его лепестки всегда остаются сухими и белоснежными. Загадка лотоса объяснилась сравнительно недавно. Оказалось, что дело не только в воскоподобном (гидрофобном) покрытии его лепестков, но и в особой микроструктуре их поверхности. Рельеф лепестка лотоса образован набором холмов и впадин микронного размера, покрытых отдельными «крупинками» гидрофобного вещества диаметром в несколько нанометров. Попав на такую поверхность, капля принимает форму, близкую к сферической, и легко скатывается с нее, унося с собой частицы загрязнений. Похожим образом устроены крылья бабочек и многих других насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать.

«Эффект лотоса» используется в промышленности для создания супергидрофобных самоочищающихся покрытий и красок, на которых краевой угол воды превышает 1500. Например, ученые из Массачусетского технологического института (США) недавно разработали «сверхводоотталкивающее» покрытие, состоящее из нескольких слоев микропористой пленки полиэлектролита и кремниевых наночастиц. Ученые признались, что их вдохновил «эффект лотоса».

А японских ученых воодушевили бабочки. Прототипом созданного ими декоративного покрытия послужила поверхность крыльев бриллиантово-голубой бабочки Morpho sulkowskyi. Пленка была сформирована из частиц кварца диаметром 6 нанометров и шариков полистирола диаметром несколько сотен микрон. После нагрева пленки и удаления полистирола был получен материал, состоящий из частиц кварца, разделенных воздушными промежутками. Затем поверхность покрыли слоем гидрофобного вещества (фторалкилсилана), и в результате краевой угол воды на пленке стал равен 1600. Попутно оказалось, что микроструктура полученного покрытия не только отталкивает воду, но и способствует рассеянию и дифракции света — вот почему бабочки Morpho sulkowskyi не только остаются сухими в любую погоду, но и переливаются на солнце всеми цветами радуги. Меняя величину воздушных промежутков в пленке (то есть размер шариков полистирола), ученые научились задавать цвет покрытия в пределах от красного до синего.

ОТ «НАНОКОВРА» К «НАНОГАЗОНУ»

Вы когда-нибудь наблюдали капли после дождя на траве или на листьях деревьев? Они лежат блестящими на солнце жемчужинами. Особенно красивы капли на ворсистых поверхностях листьев: поддерживаемые ворсинками, они как бы висят в воздухе в виде отдельных шариков, не касаясь поверхности листа и не смачивая его. Наклоните лист — и капля скатится, оставив после себя совершенно сухую поверхность.

В последнее время ученые проявляют большой интерес к «нановорсистым» покрытиям, состоящим из множества «волосков» нанометровых размеров (в десятки — сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса). Такие поверхностные структуры благодаря сильно развитому рельефу способны многократно усиливать как гидрофобные, так и гидрофильные свойства материалов.

К примеру, китайские ученые недавно смастерили «наноковер» — материал, поверхность которого образована густо расположенными «ворсинками» диаметром всего 50—150 нанометров. Известно, что оксид цинка, из которого «соткан» чудо-ковер, обладает способностью переходить из гидрофобного в гидрофильное состояние под действием ультрафиолета. Эффект связан с накоплением заряда в поверхностном слое полупроводника под действием облучения. (Заряжение поверхности — еще один из способов изменения ее смачиваемости.) В темноте поверхностный заряд постепенно стекает (примерно за неделю), и оксид цинка восстанавливает присущую ему «водобоязнь». Наличие «нановорсинок» многократно усилило свойства полупроводника, расширив диапазон переключений «наноковра» от супергидрофобного до супергидрофильного (краевой угол близок к нулю) состояния. Такое покрытие могло бы найти массу применений в промышленности и хозяйстве, если бы не один недостаток — слишком большое время обратного переключения. Впрочем, китайцы надеются в скором времени от этого недостатка избавиться.

А вот ученые из Bell Labs (исследовательского отделения американской фирмы «Lucent Technologies») пошли несколько иным путем, вырастив ворсистую наноструктуру, названную ими «нанотрава», на пластинке кремния. Если в китайском «наноковре» ворсинки расположены совершенно хаотически, немного отличаются по размерам и торчат в разные стороны, то американский «наногазон» потрясает воображение своей строго регулярной структурой. В опытных образцах «нанотравинки» кремния представляли собой аккуратные столбики диаметром 350 нм и высотой 7 микрон (0,007 мм). Расстояние между столбиками было строго фиксировано и составляло на разных образцах от 1 до 4 микрон. Такую упорядоченную структуру приготовляли путем травления кремния в плазме через маску из фоторезиста, затем на ней выращивали путем окисления тонкий слой диэлектрика (оксида кремния), а сверху покрывали всю наноструктуру тончайшим слоем гидрофобного полимера. Легко догадаться, что материал оказался супергидрофобным: капли жидкости, упавшие в «нанотраву», буквально повисают в воздухе, подпираемые «нанотравинками». Площадь касания шариков жидкости с «нанотравой» очень мала (контактный угол близок к 1800), поэтому они чрезвычайно подвижны — малейший наклон поверхности приводит к их быстрому скатыванию. «Наногазон» пригодится не только для создания супергидрофобных самоочищающихся покрытий. Оказалось, что его смачиваемостью можно легко управлять.

«ТАНЦУЮЩАЯ КАПЛЯ»

До сих пор мы говорили об изменении смачиваемости путем модификации поверхности. А можно ли как-то менять свойства жидкости, а именно ее поверхностное натяжение? Можно, например, подмешав к ней вещества, способные менять силу взаимного притяжения молекул в поверхностном слое. Достаточно влить в воду немного этилового спирта или мыльного раствора, чтобы заметно снизить ее поверхностное натяжение. А вот добавление глицерина, наоборот, приведет к увеличению краевого угла. Однако замена воды раствором глицерина, мыла и тем более спирта не всегда желательна. Повышая температуру или давление, можно ослабить поверхностное натяжение, а понижая – усилить. Но что делать, если температура и давление фиксированы? На помощь приходит электричество. Еще в конце XIX века было обнаружено, что величина разности потенциалов между поверхностью и каплей проводящей жидкости влияет на смачивание: краевой угол уменьшается пропорционально квадрату напряжения. Это так называемый эффект электросмачивания.

Поместим каплю воды на супергидрофобную поверхность — она образует почти идеальный шарик. Затем приложим между поверхностью и каплей напряжение — капля как бы прижмется к поверхности, краевой угол уменьшится. Плавно увеличивая и уменьшая напряжение, можно заставить каплю «танцевать». Поскольку вода преломляет свет иначе, чем воздух, то лежащая капля — это своего рода линза, только жидкая. В ходе «танца» кривизна поверхности капли меняется, следовательно, меняется и преломляющая способность линзы, ее фокусное расстояние. Эффективно и предельно просто! Нет никаких подвижных механических деталей. Работа жидкой линзы очень напоминает человеческий глаз, который фокусируется путем изменения кривизны хрусталика.

В последние годы «жидкими линзами» заинтересовались сразу несколько крупных компаний, занимающихся информационными технологиями и видеотехникой. В частности, год назад компания «Philips» анонсировала оптическую систему FluidFocus, работающую по принципу «жидкой линзы». Устройство состоит из небольшой трубки с прозрачными торцами, заполненной двумя несмешивающимися жидкостями с различными коэффициентами преломления. Одна представляет собой проводящий электричество водный раствор, а другая — масло, изолятор. Внутренняя поверхность трубки и один из торцов покрыты гидрофобным покрытием, в результате чего водный раствор, скапливающийся у противоположного торца, принимает полусферическую форму. Фокусное расстояние (кривизна линзы) изменяется увеличением или уменьшением электрического потенциала, приложенного к гидрофобному покрытию. При этом поверхность может стать совершенно плоской и даже вогнутой – линза из собирающей превратится в рассеивающую или наоборот. Размеры опытного образца FluidFocus составили всего несколько миллиметров, его фокусное расстояние меняется от 5 сантиметров до бесконечности, и, что особенно важно, скорость переключения между двумя крайними режимами работы менее 10 миллисекунд, а энергопотребление крайне мало. Последнее обстоятельство открывает возможности применения «жидких линз» в портативных устройствах, работающих от аккумуляторов: цифровых фотоаппаратах, встроенных в мобильный телефон видеокамерах и прочей технике.

Системы, подобные FluidFocus, разрабатывают и другие компании. «Bell Labs», например, сконструировала свой вариант «жидкой линзы».

«ЖИДКИЕ» ДИСПЛЕИ И ВИДЕО НА «БУМАГЕ»

Капля, управляемая с помощью эффекта электросмачивания, — это не только «жидкая линза», но и своего рода переключатель, сочетающий миниатюрность и простоту устройства с высокой скоростью и эффективностью. Он может найти множество самых неожиданных применений – например, для нового поколения дисплеев, к созданию которых уже предложено два подхода.

Исследователи из фирмы «Philips» предлагают использовать в качестве основного рабочего вещества новых дисплеев водно-масляную эмульсию. Пиксель монохромного дисплея представляет собой ячейку, на дно которой нанесены хорошо отражающее белое покрытие и прозрачный электрод с водоотталкивающим изолятором. Ячейка заполнена смесью воды с маслом, подкрашенным черной краской. В отсутствие напряжения вода, отталкиваемая гидрофобным электродом, располагается вверху ячейки, масло растекается по электроду, полностью закрывая белую подложку, и пиксель выглядит черным. При подаче напряжения (порядка 20 вольт) на электрод вода за счет эффекта электросмачивания устремляется к нему, вытесняя масло в угол ячейки и открывая большую часть белой подложки. Благодаря миниатюрным размерам ячейки (500×500 микрон) и высокой отражательной способности подложки черная капля в углу незаметна, и пиксель становится белым. Плавно меняя напряжение от нуля до максимума, можно частично открывать подложку, получая нужный тон серого цвета. Процесс переключения пикселя занимает порядка 10 миллисекунд.

Чтобы получить цветное изображение, предлагается разделить пиксель на три подпикселя, каждый из которых состоит из двух управляемых независимо разноцветных масляных слоев и светофильтра. Такая сложная структура позволяет использовать две трети общей площади экрана для воспроизведения какого-то одного цвета (а не треть, как в обычных дисплеях). В результате достигается беспрецедентная яркость изображения: по заявлению «Philips», она должна возрасти в четыре раза по сравнению с жидко-кристаллическими панелями. Подробнее об этой технологии можно узнать на сайте http://www.research.philips.com

Принципиально другой вариант дисплея, работающего на эффекте электросмачивания, придумали исследователи из Университета Британской Колумбии (Канада). Их идея состоит в том, чтобы использовать капли жидкости в качестве отражателей света. Пока напряжения нет, капля на прозрачной гидрофобной подложке имеет почти сферическую форму, ее контакт с подложкой минимален. Подавая напряжение и увеличивая тем самым площадь контакта, можно придать капле форму полусферы. Теперь падающий снизу свет будет проходить сквозь прозрачную подложку и каплю, пока не достигнет границы жидкость — воздух, где он испытает эффект полного внутреннего отражения, и после серии таких отражений вернется назад, к наблюдателю. Таким образом, при подаче напряжения капля превращается в обратный отражатель и яркость пикселя многократно возрастает. Поскольку полное внутреннее отражение возможно лишь при углах падения света на границу раздела меньших определенного, так называемого критического, световое пятно, отраженное пикселем, будет иметь форму кольца (но наблюдатель этого не заметит в силу крайней малости его диаметра).

Обе предложенные технологии позволяют создавать дисплеи с высокой яркостью и контрастностью, низким потреблением энергии и малым рабочим напряжением. Это открывает широкие возможности их применения не только в стационарных, но и в мобильных устройствах. Новые дисплеи можно сделать очень тонкими и гибкими, а их пиксели способны переключаться достаточно быстро, чтобы предавать видеоизображения, — ну чем не «электронная бумага»! Книги и газеты из такой «бумаги» смогут воспроизводить не только текст и картинки, но и видео.

Возникает законный вопрос: а как же сила тяжести? Казалось бы, если «жидкий» дисплей, лежавший сначала горизонтально, поставить вертикально, жидкость внутри ячеек-пикселей начнет перетекать в новое положение и при этом, естественно, устройство перестанет работать. Однако ничего подобного не происходит, как ни крути. Дело в том, что в миниатюрном пикселе силы поверхностного натяжения на границах сред значительно превышают силу тяжести, поскольку масса жидкости внутри него очень мала. Так что в пикселях именно поверхностное натяжение, а не гравитация, «правит бал».

КАПЛЯ В «НАНОТРАВЕ»

Вернемся вновь к «нанотраве» и лежащей на ней капле воды. Что произойдет, если применить к ним эффект электросмачивания? После приложения достаточного напряжения капля не просто уменьшит свой краевой угол — она частично «всосется» в «нановорсистое» покрытие, смочив «травинки» до самого основания. При этом она потеряет не только свою форму, но и подвижность, прочно «застряв» в «нанотраве». Уменьшим напряжение — и капля мгновенно отпрянет назад, на кончики «нанотравинок», вновь обретя и почти сферическую форму, и свободу передвижения. Как показали исследования, проведенные в Bell Labs, переход между двумя состояниями происходит скачком при определенном пороговом значении напряжения (порядка 20 вольт), тогда как на обычных гидрофобных поверхностях краевой угол плавно уменьшается с ростом напряжения. Уникальные свойства «нанотравяного» переключателя могут найти массу интересных применений.

Так, компания «Lucent Technologies» уже анонсировала прототип нового энергосберегающего аккумулятора на «нанотраве». Идея состоит в том, чтобы заставить аккумулятор вырабатывать электроэнергию только тогда, когда это действительно необходимо, а не постоянно, как происходит в обычных батареях, отчего они и садятся так быстро. Управляя подвижностью жидких реагентов с помощью «нанотравы», можно управлять ходом электрохимической реакции, останавливая ее или запуская вновь.

Другое любопытное применение «нанотравы» — охлаждение элементов микросхем. Здесь используется эффект повышения смачиваемости с ростом температуры (об этом уже шла речь выше). Вместо того чтобы охлаждать всю микросхему целиком с помощью громоздкого вентилятора и тратить на это массу энергии, как это принято сегодня, можно поручить дело «нанотраве». Для этого достаточно протравить на поверхности чипа сеть микроканалов, по которым будет двигаться охлаждающая жидкость, а на верху чипа разместить что-то вроде радиатора, или теплоотвода. Стенки микроканалов нужно покрыть «наногазоном» — тогда жидкость будет легко передвигаться по ним, всасываясь в «нанотраву» только на перегретых участках и тем самым охлаждая поверхность чипа только там, где это необходимо.

«Нанотрава» может быть очень полезна в микрофлюидике – новой науке и технологии создания «жидкостных» чипов, микроустройств, позволяющих управлять движением и перемешиванием микроколичеств жидкостей с целью анализа, диагностики и проведения различных экспериментов. Такие устройства применяются, например, для проведения генетического анализа. Есть также идеи использования «нанотравы» в оптических переключателях оптоволоконных сетей и во многих других устройствах.

*

«Жидкие линзы» и отражающие дисплеи, самоочищающиеся покрытия и электронная бумага для показа видео, аккумуляторы и охлаждающие системы — и все это благодаря явлению смачивания. Удастся ли реализовать все эти идеи на практике и довести устройства до массового потребителя? Время покажет. Возможно, будущее информационных и телекоммуникационных систем во многом определиться свойствами обычной капли.

Иллюстрация «Жидкая линза».»
«Жидкая линза» — ячейка с прозрачными торцами, заполненная двумя жидкостями, проводящей и непроводящей, с разными коэффициентами преломления. Проводящая жидкость отталкивается от гидрофобного покрытия, собираясь в полусферу, так что непроводящая образует отрицательную (рассеивающую) линзу. Напряжение, поданное на окружающие ячейку электроды, изменяет кривизну ее поверхности и, следовательно, фокусное расстояние линзы — она может превратиться из рассеивающей в собирающую.

Иллюстрация «Пиксель дисплея, работающий на принципе электросмачивания».
Пиксель дисплея, работающий на принципе электросмачивания — миниатюрная квадратная ячейка, заполненная водой (1) с каплей окрашенного масла (2). Белое донце ячейки (3) покрыто слоем гидрофобного вещества (4), под которым лежит прозрачный электрод (5). Гидрофобное покрытие отталкивает воду, и масло ровным слоем растекается по всей поверхности дна, окрашивая пиксель (А). Когда между водой и электродом создается разность потенциалов, поверхность становится гидрофильной. Вода ее смачивает, оттесняя масло в угол и открывая белое донце пикселя (Б). Плавно меняя напряжение, можно получить разные цветовые тона.

Иллюстрация «На цветном дисплее каждый пиксель разделен на три подпикселя».
На цветном дисплее каждый пиксель разделен на три подпикселя. В их ячейках содержатся по два управляемых независимо слоя масла разных цветов (1;2) и светофильтр (3). В отсутствие напряжения подпиксель выглядит черным. Частично или полностью убирая поданным напряжением слои масла, получают несколько вариантов цвета. А все пиксели вместе создают многоцветное изображение.

Исследователи
из Университета Британской Колумбии
создали поверхность, которая может
менять смачиваемость в широком диапазоне, становясь как супергидрофобной,
так и супергидрофильной. Регулировка
смачиваемости происходит за счет подачи небольшого напряжения, при этом она
полностью обратима. Ученые считают, что
такая поверхность может пригодиться
во многих областях, к примеру, для фильтрации
воды или в медицине. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials
Interfaces.

Разные научные коллективы работают над созданием поверхностей с
изменяемым углом смачивания. Зачастую,
для этого требуется сильное нагревание,
обработка поверхностей лазерным
излучением и другое сильное воздействие,
а процесс может занимать много времени.
Канадские ученые решили упростить и
ускорить регулировку смачиваемости поверхности и
создали новый метод.

Ученые выбрали в качестве
основы медь — недорогой и распространенный
материал. Супергидрофобная медная поверхность была создана с помощью электроосаждения, и из-за этого имела структуру «елочек»
. Регулировка смачиваемости основана
на том, что у меди и ее оксидов (CuO и Cu₂O)
она сильно отличается. Пропуская
небольшой ток с напряжением около одного вольта через каплю ученые могут
менять степень окисления меди, и таким
образом, изменять ее смачиваемость в диапазоне от супергидрофобной (угол смачивания около 157 градусов) до супергидрофильной
(угол около десяти градусов).

Ученые выделяют несколько
преимуществ их метода. Во-первых, они
использовали доступный материал. Для
регулирования достаточно напряжения,
которое дают распространенные батареи,
а время перехода из одного состояния в
другое исчисляется минутами. Также, в
отличие от многих других методов,
изменение смачиваемости таким методом
полностью обратимо. Для этого достаточно
высушить поверхность, и медь снова
окислится на воздухе.

Ранее международная
группа ученых представила в целом
похожую технологию, однако они смогли
менять угол смачивания в пределах десяти
градусов. А другие исследователи научились получать материал на основе графена с регулируемым отношением к воде от супергидрофильного до супергидрофобного.

Григорий Копиев

Инверсия
смачиваемости поверхности заключается
в качественном изменении смачиваемости
поверхности за счет адсорбции ПАВ на
твердой поверхности.

Природу
поверхности твердого тела, а значит, и
характер смачивания можно изменить
путем модифицирования поверхности,
например, проведя её химическую обработку.
Адсорбция ПАВ влияет не только на
величину, но даже на знак cosθ(но не всегда! — см. б) .Если
в процессе обработки поверхности
происходит изменение смачиваемости на
противоположное, говорят об инверсии
поверхности. Концентрация раствора
ПАВ, при которой это происходит, называется
точкой инверсии (т. О).

а б

cosθ
cosθ

1

о с

с

Рис.2.43. Изменение
смачиваемости поверхности

Если
увеличить концентрацию обрабатывающего
вещества выше оптимальной, при которой
образуется монослой, то можно получить
противоположный результат из-за
образования полислоя на поверхности:

cosθ
cosθ

с

Рис.2.44. Изменение
смачиваемости поверхности при образовании
полислоев

Это
может привести ко второй точке инверсии.

При управлении
избирательным смачиванием ПАВ можно
вводить как в водную, так и в масляную
фазы. В зависимости от природы ПАВ можно
осуществляться как гидрофилизация, так
и гидрофобизация поверхности.

Для этого используют
маслорастворимые ПАВ или водорастворимые
ПАВ. При этом возможно полное растекание
масляной фазы на границе т/вода и полное
оттеснение последней и наоборот.

Н₂О Н₂О

с₆н₆

Н₂О

с₆н₆

Рис. 2.45. Олеофилизация
поверхности при использовании
маслорастворимых ПАВ

Один
из широко распространенных способов
изменения свойств поверхности основан
на адсорбции поверхностно-активных
веществ. Влияние ПАВ на смачивание
зависит от того, на какой поверхности
раздела фаз они адсорбируются — на
твердой поверхности или на поверхности
жидкость — газ. Если поверхность твердого
тела гидрофобная, то из водных растворов
ПАВ адсорбируются и на твердой поверхности,
и на границе раствор — газ, ориентируясь
при этом в соответствии с правилом
выравнивания полярностей Ребиндера. В
результате значения _жг
и _тж
уменьшаются, твердая поверхность
становится менее гидрофобной. Происходит
гидрофилизация поверхности. Может
вообще произойти переход от несмачивания
к смачиванию, т.е. инверсия
смачивания.

Если
поверхность твердого тела гидрофильная,
вода хорошо смачивает её, и адсорбция
ПАВ в основном происходит на границе
жидкость-газ. В этом случае изменение

связано с уменьшением _жг.

Возможность
изменить природу поверхности твердого
тела, придавая ей гидрофильность или
гидрофобность, широко используют в
полиграфической технологии при
изготовлении форм офсетной печати. Для
получения на поверхности формы печатающих
элементов, которые должны хорошо
смачиваться неполярной краской и плохо
смачиваться водой (увлажняющим раствором),
используют вещества, ориентирующиеся
при адсорбции так, чтобы в сторону
жидкости были обращены неполярные
группы.

Рис.2.46.
Ориентация молекул ПАВ на печатающих
элементах формы плоской печати

Для
большей устойчивости полученной
гидрофобной пленки необходимо, чтобы
адсорбция указанных веществ была
химической. Следует
отметить, что только
в этом случае и возможна указанная
ориентация молекул – согласно правилу
полярностей Ребиндера в сторону воды
должны ориентироваться полярные группы.
Взаимодействие молекул воды с
углеводородными радикалами ПАВ слабее,
чем с металлом, и поверхность формы
гидрофобизуется. На рис.2.47. приведена
зависимость cos
смачивания водой поверхности меди,
предварительно обработанной олеатом
натрия, от концентрации олеата натрия.
Видно, что при С₁
достигается инверсия смачивания:
гидрофильная поверхность становится
гидрофобной.

Рис.2.47.Зависимость
краевого угла смачивания поверхности
медной пластины водой от концентрации
С олеата натрия. С_оп
– оптимальная концентрация, выше которой
увеличивать С не имеет смысла, С₁
– концентрация инверсии смачивания.

(Из
практикума).Механизм инверсии
связан с определенной ориентацией ПАВ
в адсорбционном слое. На этом основано
изготовление форм плоской печати в
полиграфической технологии

Для получения на
поверхности формы печатающих элементов,
которые хорошо смачиваются неполярной
краской и плохо смачиваются водой,
используют вещества, ориентирующиеся
при адсорбции так, что в сторону
смачивающей жидкости обращены неполярные
группы. Взаимодействие молекул воды с
углеводородными радикалами ПАВ слабее,
чем с металлом, и поверхность становится
более гидрофобной. Для большей устойчивости
полученной гидрофобной пленки необходимо,
чтобы адсорбция была химической. В
качестве гидрофобизующих агентов обычно
используют соли жирных кислот: олеат
натрия), БКК и т.д.

Гидрофобность
поверхности (краевой угол смачивания
θ) зависит от величины
адсорбции ПАВ: чем больше адсорбция,
тем хуже смачивается поверхность и тем
большеθ. Наиболее гидрофобная
поверхность металла получается при
полном покрытии поверхности формы
адсорбатом, т.е. при адсорбцииГ_∞.
НаименьшуюС_опт(оптимальную)
концентрацию адсорбата, при которой
достигается адсорбция, близкая кГ_∞,обычно определяют экспериментально.

С этой целью
пластины меди обрабатывают растворами
олеата натрия различной концентрации
С, промывают их, высушивают и
определяют на каждой из них краевой
угол смачиванияθ. По
полученным данным строят изотерму
смачивания cosθ =
f(C),
и по ней определяют оптимальную
концентрацию гидрофобизующего агента
так, как это показано на рис.1.а.

а б

Рис.. Изотерма
смачивания –
(а) и кривая кинетики гидрофобизацш
поверхности меди –
(б).

Образование на
формах плоской печати пробельных
элементов, хорошо смачиваемых водой
(увлажняющим раствором), сводится к
получению устойчивой гидрофильной
пленки на поверхности металла. Для этого
поверхность формы обрабатывают растворами
электролитов (обычно ортофосфорной
кислоты и её солей) или растворами
полярных полимеров (крахмала, декстрина,
КМЦ натрия и т.д.). Гидрофилизация
поверхности происходит вследствие
адсорбции указанных веществ и ориентации
их молекул полярными группами в сторону
воды.

Например,
гидрофилизацию поверхности алюминия
осуществляют с помощью ортофосфорной
кислоты: Н₃Р0₄химически
взаимодействует с оксидной пленкой
поверхности металла:

А1₂0₃
+ 2Н₃Р0₄ = 2А1Р0₄
+ ЗН₂0.

а б

Рис.. Изотерма
смачивания –
(а) и кривая
кинетики гидрофилизации поверхности
алюминия –
(б)

В результате на
пробельных элементах формы образуется
тонкая солевая микропленка фосфата
алюминия, практически нерастворимая в
воде, которая улучшает смачивание
поверхности увлажняющим раствором
(водой).

Зависимость cosθ
от концентрации раствора Н₃РО₄(изотерма смачивания поверхности
алюминия водой) изображена на рис. 6.2.а.
Концентрация H₃PO₄должна
быть вполне определенной, так как в
избытке кислоты происходит образование
кислых солей Al₂(HPO₄)₃,
Al(H₂PO₄)₃, растворяющихся
в воде, вследствие чего достигнутая
смачиваемость поверхности ухудшается.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Изменение — смачиваемость

Cтраница 1

Изменение смачиваемости в результате образования адсорбционных пленок играет важную роль в процессе флотации, который представляет собой эффективный способ обогащения низкокачественных руд, углей и других полезных ископаемых. В методе пенной флотации, получившем широкое распространение, обогащаемый материал, измельченный в порошок, всыпают в воду и полученную смесь вспенивают. Если хуже смачиваются водой частицы полезной составной части руды, они прилипают к всплывающим пузырькам воздуха и снимаются вместе с пеной. Бесполезные примеси руды, хорошо смачивающиеся водой, не прилипают к пузырькам воздуха и оседают на дно. Отделившиеся вместе с пеной полезные компоненты руды оказываются в значительной части очищенными от балласта. Возможны и такие случаи, когда худшей смачиваемостью обладают бесполезные примеси руды; тогда они прилипают к пузырькам и удаляются вместе с пеной, а обогащенная руда оседает на дно. Молекулы поверхностноактивного вещества адсорбируются на поверхности определенных частиц, поворачиваясь своей гидрофильной группой в сторону частицы, а гидрофобной — наружу.
 [1]

Изменение смачиваемости электрода водой с изменением потенциала используется при электролитическом, или катодном, обезжиривании металлических изделий перед нанесением на них гальванических покрытий и перед другими отделочными операциями, требующими чистой поверхности. Для этого изделия поляризуют катодно в растворе щелочи. Большой отрицательный потенциал обеспечивает вытеснение водой пленок масла и других загрязнений с поверхности металла. При этом они собираются в капли и покидают поверхность изделий. Этому способствуют и образующиеся на поверхности пузырьки водорода.
 [2]

Изменение смачиваемости твердой поверхности с гидрофобной на гидрофильную для карбонатных пород способствует улучшению отрыва пленок и капель нефти, увеличению их подвижности, активизации капиллярного впитывания.
 [3]

По-видимому, изменение смачиваемости твердых поверхностей омагниченной водой может быть связано с изменением сцепления между молекулами воды и их взаимным оттягиванием 1 от поверхности. Значительную роль может играть и изменение формирования поверхностных гидратных слоев, структура и свойства которых зависят не только от заряда поверхности, но и от степени соответствия топографии ее активных центров структуре воды.
 [5]

Опыты по изменению смачиваемости показывают, что 1 % — ный раствор щелочи повышает гидрофильность терригенных пород и не меняет смачиваемость в известняках, а расход щелочи и количесто осадка увеличиваются при повышении минерализации воды и концентрации щелочи. При минерализации воды 265 г / л образуется максимальное количество осадка — 19 г / л, расход щелочи составляет 2 5 мг / г породы. Нефтевытесняющие свойства растворов щелочи были оценены с использованием центрифуги.
 [6]

Опыты по изменению смачиваемости показывают, что 1 % — ный раствор щелочи повышает гидрофильность терригенных пород и не меняет смачиваемость известняках. Показано, что расход щелочи и количество осадка увеличивается при повышении минерализации воды и концентрации щелочи. При минерализации воды 265 г / л образуется максимальное количество осадка — 19 г / л, расход щелочи составляет 2 5 мг / г породы.
 [7]

Опыты по изменению смачиваемости показывают, что 1-процентный раствор щелочи повышает гидрофильность терригснных пород и не меняет смачиваемость в известняках. Показано, что расход щелочи и количество осадка увеличивается при повышении минерализации воды и концентрации щелочи. При минерализации воды 265 г / л образуется максимальное количество осадка — 19 г / л, расход щелочи составляет 2 5 мг / г породы. Нефтевытссняющис свойства растворов щелочи были оценены с использованием центрифуги.
 [8]

Эксперименты по изменению смачиваемости стекольных поверхностей под действием кислорода, согласно Хедваллю ( J. A. Hedvall [227], 20, 1942, 42), см. А.
 [9]

В карбонатных коллекторах изменение смачиваемости зависит от наличия в нефти азотсодержащих компонентов, которые, адсорбируя, гидрофилизируют их, а щелочные растворы эффективнее вытесняют нефть с поверхностей.
 [10]

В карбонатных коллекторах изменение смачиваемости зависит от наличия в нефти азотосодержащих компонентов, которые, адсорбируя, гидрофилизируют их, а щелочные растворы эффективнее вытесняют нефть с поверхностей.
 [11]

В карбонатных коллекторах изменение смачиваемости зависит от наличия в нефти азотосодержаших компонентов, которые, адсорбируясь, гидрофилизуют их.
 [12]

Извлечение барита изменяется параллельно изменению смачиваемости под влиянием тех или иных химических реагентов. Кроме того, флотационный процесс усложняется вследствие аэрации, минерализации пузырьков и пены.
 [13]

Поскольку в реальных производственных системах изменение смачиваемости поверхности может произойти всегда, то пульсационные насадочные колонны рекомендуются для использования в малотоннажных производствах при переработке чистых растворов.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

    Природу твердой поверхности можно, однако, изменить и превратить гидрофильную поверхность в гидрофобную (процесс гидрофобизации) и, наоборот, гидрофобную поверхность можно превратить в гидрофильную (процесс гидрофилизации). Для этого на твердой поверхности создают адсорбционный слой поверхностно-активного вещества. Например, поверхность алюминиевой пластинки, обычно покрытая окисной пленкой AlgOa, гидрофильна, т. е. довольно хорошо смачивается водой (краевой у-гол смачивания равен 40°). Такую пластинку можно гидрофобизировать, обработав ее раствором какой-нибудь жирной кислоты. Молекулы кислоты, адсорбируясь на поверхности пластинки, образуют ориентиро- [c.62]

    Поверхности можно искусственно придать свойство смачиваться или не смачиваться какой-либо жидкостью. Увеличение или снижение способности поверхности смачиваться водой называется соответственно гидрофилизацией или гидрофобизацией. Например, для улучшения смачиваемости водой по-, верхности какого-либо углеводорода к воде добавляют поверхностно-активное вещество. ПАВ адсорбируется на гидрофобной поверхности своим неполярным радикалом, а полярной, гидрофильной частью ориентируется к воде. Если адсорбционное взаимодействие достаточно прочно, то гидрофобная поверх ность покрывается мономолекулярным слоем молекул ПАВ, гидрофильные группы которых находятся снаружи. В таком случае поверхность будет смачи ваться водой, т. е. станет гидрофильной (рис. 70 а). По этому же механизму осуществляется гидрофоби-зация поверхности. При этом молекулы ПАВ адсорбируются своей полярной группой, а углеводородная неполярная часть молекул сообщит поверхности гидрофобные свойства (рис. 70 6). [c.178]

    Процессы гидрофилизации и гидрсфсбизации большое значение имеют в типографском деле, а также в процессах очистки поверхностей. Многие поверхности (например, кожа рук, белье и др.) вследствие загрязнения ( засаливания ) теряют свойство смачиваться водой, но от прибавления мыла вновь становятся гидрофильными. Изготовление непромокаемых тканей основано на процессе гидрофобизации их жировыми и другими дифильными (т. е. с полярными и неполярными концами молекул) веществами. [c.101]

    Изучение смачивающей способности состава НП-3 показало, что при концентрации выше 0,25 % он обладает значительной поверхностной активностью. С ростом концентрации раствора его гидролизующие свойства возрастают, а раствор приобретает способность избирательно смачивать стальную поверхность в двухфазной среде углеводород (нефть) —вода. Проведенные эксперименты с новым ПАВ показали, что путем применения таких активных добавок, как силикат натрия и сода, может быть достигнуто усиление смачивающих свойств сульфонола НП-3. При этом гидрофобная поверхность металла под действием компонентов смачивающего состава модифицируется и превращается в гидрофильную. При этом смачиваемость металла водной фазой в значительной степени зависит от порядка смачивания, что указывает на необходимость осуществления предварительной операции гидрофилизации поверхности стенок трубопровода путем закачки раствора с концентрацией не ниже 0,3 %. В результате поверхность металла, находящаяся в контакте с раствором композиции, приобретает гидрофильные свойства и уже не смачивается ни обычной маловязкой нефтью, ни высоковязкой, высокопарафинистой нефтью в широком интервале для гидронефтепровода. [c.108]

    Многие виды диэлектриков, особенно пластмассы, в большей или меньшей степени гидрофобны, т. е. не смачиваются водой. Поэтому гидрофилизация поверхности большинства диэлектриков является основной задачей, решаемой на стадии первичной обработки поверхности. Наиболее эффективными способами придания поверхности диэлектрика гидрофильных свойств считаются травление в органических растворителях и обработка в растворе окислителей. Органический растворитель разрыхляет поверхностный слой диэлектрика, вызывая его набухание, что ослабляет связи между полимерными цепями в приповерхностном слое. Окислительная обработка, проводимая после стадии набухания, резко повышает сорбционную способность поверхности диэлектрика. Это происходит главным образом за счет увеличения хемосорбционной поверхностной активности, которая обусловлена, с одной стороны, увеличением гидрофильности поверхности ( прививка активных групп), с другой стороны, разрывом связей типа С=С и С=-0 в результате воздействия на молекулы мономеров сильного окислителя. Так, обработка стеклотекстолита в растворе, содержащем перманганат калия и фосфорную кислоту, приводит к повышению адсорбции палладия на его поверхности в четыре раза, а обработка в растворе, содержащем хромовый ангидрид и серную кислоту, увеличивает сорбционную способность поверхности стеклотекстолита более чем в 10 раз. [c.97]

    Влияние ПАВ на смачивание зависит от того, иа какой поверх Юстп раздела фаз они адсорбируются. Молекулы ПАВ могут адсорбироваться как на твердой иоверхности, гак и на границе раздела жидкость— газ. Если поверхность твердого тела гидрофобная, то из водных растворов ПАВ адсорбируются и на твердой поверхиости, и на границе раствор — воздух. На межфазной поверхности молекулы ПАВ располагаются в соответствии с правилом уравнивания полярностей ебиндера. В результате значения Стт-ж и а -г уменьшаются и согласно уравнению (I. 13) поверхность твердого тела смачивается лучше. С увеличением адсорбции ПАВ твердая поверхность становится менее гидрофобной, происходит так называемая гидрофилизация пове])Х ьаст[  [c.21]

    Щелочные воды лучше смачивают поверхность кварца и других минералов, слагающих пласт, чем морская и дистиллированная воды. Это связано с омылением органических кислот щелочами воды. Мыла, адсорбируясь на поверхности раздела нефть-вода и нефть-порода-вода, способствуют гидрофилизации поверхности, т.е. уменьшению угла избирательного смачивания. [c.170]

    Смоченный растворами АПАВ и НПАВ торф влажностью 10—15%, высушенный затем до исходного состояния, при повторном увлажнении также хорошо смачивается водой. При этом на зависимостях /г(Ут) при пропитке дистиллированной водой модифицированного торфа в начале процесса наблюдается некоторый период индукции (рис. 4.3). Это связано, по-видимому, с проникновением воды в поры и частичной десорбцией ПАВ с поверхности торфяных ассоциатов, диффузией их молекул к фронту смачивания. Сравнивая результаты по смачиваемости торфа, обработанного ПАВ, с данными по десорбции ПАВ [227], можно отметить, что предварительную обработку торфа с целью его гидрофилизации лучше проводить теми ПАВ, молекулы которых впоследствии легче десорбируются и диффундируют в дисперсионную среду. [c.71]

    Если твердая поверхность первоначально гидрофильна (хорошо смачивается водой), то адсорбированные молекулы ориентируются полярными группами к поверхности, а неполярными наружу. Это приводит к гидрофобизации твердой поверхности. Наоборот, если поверхность гидрофобна (не смачивается водой) и при адсорбции на ней молекул поверхностно-активного вещества последние ориентируются неполярными участками к поверхности адсорбента, а полярными (гидрофильными) группами наружу, то в результате адсорбции будет происходить гидрофилизация поверхности. [c.127]

    Вещества, хорошо адсорбирующие на поверхности влагу, называют гидрофильными (они хорошо смачиваются водой), вещества, не адсорбирующие влагу на поверхности, называют гидрофобными (они не смачиваются водой). Конечно, это различие зависит от состава поверхности вещества в большей степени, чем от состава его внутренних слоев. Соответствующей обработкой осуществляют гидрофобиза-цию или гидрофилизацию некоторых строительных материалов, когда необходимо изменить их свойства в этом отношении (например, гидрофобный цемент, разработанный М. И. Хигеровичем, см. гл. V, 1), Пластичность и другие свойства глин в сильной степени зависят от состояния поверхности и вида ионов, адсорбированных на ней (гл. П1, 3). [c.26]

как уменьшить смачивание?

Смачивание это способность жидкость поддерживать контакт с твердый поверхность, в результате межмолекулярный взаимодействия, когда эти двое собраны вместе. Степень смачивания (смачиваемость) определяется балансом сил между клей и сплоченный силы. Смачивание имеет дело с тремя фазами вещества: газом, жидкостью и твердым телом. Сейчас он находится в центре внимания нанотехнологий и исследований нанонауки из-за появления многих наноматериалов за последние два десятилетия (например, графен,^[1] углеродная нанотрубка, нитрид бора наномеш^[2]).

Смачивание важно в связь или же приверженность из двух материалов.^[3] Смачивание и поверхностные силы, контролирующие смачивание, также ответственны за другие связанные эффекты, в том числе капилляр последствия.

Есть два типа смачивания: безреактивное смачивание и активное смачивание.^[4][5]

Объяснение

Клей силы между жидкость и твердый вызвать растекание капли жидкости по поверхности. Сплоченный силы внутри жидкости заставляют каплю скатываться и избегать контакта с поверхностью.

В угол контакта (θ), как показано на рисунке 1, представляет собой угол, под которым граница раздела жидкость – пар встречается с границей твердое тело – жидкость. Угол контакта определяется балансом между адгезионными и когезионными силами. По мере того, как тенденция капли растекаться по плоской твердой поверхности увеличивается, угол смачивания уменьшается. Таким образом, краевой угол является обратной мерой смачиваемости.^[6]

Угол смачивания менее 90 ° (низкий угол смачивания) обычно указывает на то, что смачивание поверхности очень благоприятно, и жидкость будет растекаться по большой площади поверхности. Углы смачивания более 90 ° (высокий угол смачивания) обычно означают, что смачивание поверхности неблагоприятно, поэтому жидкость минимизирует контакт с поверхностью и образует компактную каплю жидкости.

Для воды смачиваемую поверхность также можно назвать гидрофильный и несмачиваемая поверхность гидрофобный. Супергидрофобные поверхности имеют краевые углы более 150 °, при этом контакт между каплей жидкости и поверхностью практически отсутствует. Иногда это называют «Эффект лотоса «. В таблице описаны различные углы смачивания и соответствующие им взаимодействия твердое тело / жидкость и жидкость / жидкость.^[7] Для неводных жидкостей термин «лиофильный» используется для условий с низким углом смачивания, а термин «лиофобный» используется для обозначения более высоких углов смачивания. Точно так же термины омнифобный и омнифильный относятся к обоим полярный и аполярные жидкости.

Поверхности с высокой и низкой энергией

Жидкости могут взаимодействовать с двумя основными типами твердых поверхностей. Традиционно твердые поверхности делятся на высокопрочные.энергия и твердые тела с низким энергопотреблением. Относительная энергия твердого тела связана с объемной природой самого твердого тела. Твердые вещества, такие как металлы, очки, и керамика известны как твердые тела, потому что химические связи удерживающие их вместе (например, ковалентные, ионные или металлические) очень сильны. Таким образом, для разрушения этих твердых тел требуется большое количество энергии (альтернативно, требуется большое количество энергии, чтобы разрезать основную массу и образовать две отдельные поверхности), поэтому их называют «высокоэнергетическими». Большинство молекулярных жидкостей полностью смачиваются высокоэнергетическими поверхностями.

Другой тип твердого тела — это слабые молекулярные кристаллы (например, фторуглероды, углеводороды и т. Д.), В которых молекулы удерживаются вместе в основном за счет физических сил (например, сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей). Поскольку эти твердые тела удерживаются вместе слабыми силами, для их разрушения требуется очень небольшое количество энергии, поэтому они называются «низкоэнергетическими». В зависимости от типа выбранной жидкости низкоэнергетические поверхности могут допускать полное или частичное смачивание.^[8][9]

Сообщается, что динамические поверхности претерпевают изменения в поверхностная энергия при применении соответствующих раздражителей. Например, было показано, что поверхность, представляющая управляемые фотонами молекулярные двигатели, претерпевает изменения краевого угла смачивания воды при переключении между бистабильными конформациями с различной поверхностной энергией.^[10]

Смачивание низкоэнергетических поверхностей

Поверхности с низким энергопотреблением в первую очередь взаимодействуют с жидкостями через дисперсионные (ван дер Ваальс ) сил. Уильям Зисман сделал несколько ключевых выводов:^[11]

Зисман заметил, что cos θ линейно увеличивается с увеличением поверхностное натяжение (γ_LV) жидкости уменьшилось. Таким образом, он смог установить линейная функция между cos θ и поверхностным натяжением (γ_LV) для различных органический жидкости.

Поверхность более смачиваема, когда γ_LV и θ низкий. Зисман назвал пересечение этих линий при cos θ = 1 критическое поверхностное натяжение (γ_c) этой поверхности. Это критическое поверхностное натяжение является важным параметром, потому что оно характерно только для твердого тела.

Зная критическое поверхностное натяжение твердого тела, можно предсказать смачиваемость поверхности.^[6] Смачиваемость поверхности определяется внешними химическими группами твердого тела. Различия в смачиваемости поверхностей схожей структуры обусловлены различиями в упаковке атомов. Например, если поверхность имеет разветвленные цепи, она будет иметь более плохую упаковку, чем поверхность с прямыми цепями. Более низкое критическое поверхностное натяжение означает менее смачиваемую поверхность материала.

Идеальные твердые поверхности

An идеальная поверхность плоский, жесткий, идеально гладкий, химически однородный и не имеет гистерезис контактного угла. Нуль гистерезис подразумевает, что углы смачивания и удаления равны. Другими словами, существует только один термодинамически стабильный контактный угол. Когда капля жидкости помещается на такую ​​поверхность, характерный угол смачивания образуется, как показано на рисунке 1. Кроме того, на идеальной поверхности капля возвращается к своей первоначальной форме, если ее нарушить.^[7][11] Следующие ниже выводы применимы только к идеальным твердым поверхностям; они действительны только для состояния, в котором границы раздела фаз неподвижны, а линия границы раздела фаз находится в состоянии равновесия.

Минимизация энергии, три фазы

На рисунке 3 показана линия контакта, где встречаются три фазы. В равновесие, сеть сила на единицу длины, действующую вдоль границы между тремя фазами, должен быть равен нулю. Компоненты результирующей силы в направлении вдоль каждой из поверхностей раздела определены как:

где α, β и θ — указанные углы, а γ_ij — поверхностная энергия между двумя указанными фазами. Эти отношения также могут быть выражены аналогом треугольника, известного как треугольник Неймана, показанного на рисунке 4. Треугольник Неймана согласуется с геометрическим ограничением, что , и применяя к нему закон синусов и закон косинусов, получаем соотношения, которые описывают, как межфазные углы зависят от отношения поверхностных энергий.^[12]

Поскольку эти три поверхностные энергии образуют стороны треугольник, они ограничены неравенствами треугольника γ_ij <γ_jk + γ_ik Это означает, что ни одно из поверхностных натяжений не может превышать сумму двух других. Если три жидкости с поверхностной энергией, которые не соответствуют этим неравенствам, вступят в контакт, не будет существовать равновесная конфигурация, соответствующая рисунку 3.

Упрощение до плоской геометрии, соотношение Юнга

Если фаза β заменена плоской жесткой поверхностью, как показано на рисунке 5, тогда β = π, и второе уравнение чистой силы упрощается до уравнения Юнга,^[13]

^[14]

который связывает поверхностное натяжение между тремя фазами: твердый, жидкость и газ. Впоследствии это предсказывает краевой угол смачивания жидкости. капля на твердой поверхности из знания трех задействованных поверхностных энергий. Это уравнение также применимо, если «газовая» фаза представляет собой другую жидкость, несмешиваемый с каплей первой «жидкой» фазы.

Упрощение до плоской геометрии, соотношение Юнга, полученное из вариационных вычислений

Считайте интерфейс кривой за куда — свободный параметр. Свободная энергия, которую необходимо минимизировать, составляет

с ограничениями который мы можем написать как и фиксированный объем .

Таким образом, модифицированный лагранжиан с учетом ограничений имеет вид

куда — множители Лагранжа. По определению импульс и гамильтониан который вычисляется как:

Напомним, что граница свободна в направление и — свободный параметр. Следовательно, мы должны иметь:

На границе и , поэтому восстанавливаем уравнение Юнга.

Неидеально гладкие поверхности и угол смачивания Юнга

Уравнение Юнга предполагает идеально плоскую и жесткую поверхность, которую часто называют идеальная поверхность. Во многих случаях поверхности далеки от этой идеальной ситуации, и здесь рассматриваются два случая: случай шероховатых поверхностей и случай гладких поверхностей, которые все еще являются действительными (конечно жесткими). Даже на идеально гладкой поверхности капля будет принимать широкий спектр углов смачивания, начиная от так называемого наступающего угла смачивания, , до так называемого отступающего контактного угла, . Равновесный контактный угол () можно рассчитать из и как показал Тадмор^[15] в качестве,

куда

Уравнение Юнга – Дюпре и коэффициент распространения

Уравнение Юнга – Дюпре (Thomas Young 1805; Anthanase Dupré и Paul Dupré 1869) не показывает, что ни γ_SG ни γ_SL может быть больше суммы двух других поверхностных энергий.^[16][17] Следствием этого ограничения является предсказание полного смачивания при γ_SG > γ_SL + γ_LG и нулевое смачивание при γ_SL > γ_SG + γ_LG. Отсутствие решения уравнения Юнга – Дюпре является показателем отсутствия равновесной конфигурации с краевым углом между 0 и 180 ° для таких ситуаций.^[18]

Полезный параметр для измерения увлажнения — это параметр распространения S,

Когда S > 0 жидкость полностью смачивает поверхность (полное смачивание). Когда S <0 происходит частичное смачивание.

Комбинируя определение параметра распространения с соотношением Юнга, получаем уравнение Юнга – Дюпре:

который имеет физические решения для θ только при S <0.

Уравнение Джаспера-Ананда для плоских и искривленных поверхностей.

Благодаря усовершенствованию методов измерения, таких как АСМ, конфокальная микроскопия и СЭМ, исследователи смогли создавать и отображать капли во все меньших масштабах. С уменьшением размера капель появились новые экспериментальные наблюдения за смачиванием. Эти наблюдения подтвердили, что модифицированное уравнение Юнга не выполняется на микромасштабах.

Для сидячая капля, свободная энергия трехфазной системы может быть выражена как:^[19]

При постоянном объеме в условиях термодинамического равновесия это сводится к:^[19][20]

Обычно VdP термин не учитывается для крупных капель, однако VdP работа становится значимой в малых масштабах. Изменение давления при постоянном объеме на свободной границе жидкость-пар происходит из-за давления Лапласа, которое пропорционально средней кривизне и не равно нулю. Решение вышеуказанного уравнения для выпуклых и вогнутых поверхностей дает:^[20]

Где постоянные параметры A, B и C определены как:

, и .

Это уравнение связывает контактный угол , геометрическое свойство сидящей капли для объемной термодинамики, энергия на границе трехфазного контакта , а кривизна поверхности . Для частного случая неподвижной капли на плоской поверхности :

Первые два члена в приведенном выше уравнении представляют собой модифицированное уравнение Юнга, а третий член связан с давлением Лапласа. Это нелинейное уравнение правильно предсказывает знак и величину κ, сглаживание краевого угла в очень малых масштабах и гистерезис краевого угла.^[20]

Расчетное прогнозирование смачивания

Для многих конфигураций поверхность / адсорбат данные по поверхностной энергии и экспериментальные наблюдения недоступны. Поскольку смачивающие взаимодействия имеют большое значение в различных применениях, часто желательно прогнозировать и сравнивать поведение смачивания различных поверхностей материала с определенной кристаллографической ориентацией по отношению к воде или другим адсорбентам. Это можно сделать с атомистической точки зрения с помощью инструментов, включая молекулярная динамика и теория функционала плотности.^[21][22] В теоретическом прогнозе смачивания ab initio В таких подходах, как DFT, вода обычно заменяется льдом. Это связано с тем, что расчеты DFT обычно проводятся в условиях нулевого теплового движения атомов, что по существу означает, что моделирование проводится при абсолютный ноль. Это упрощение, тем не менее, дает результаты, которые актуальны для адсорбции воды в реальных условиях, и использование льда для теоретического моделирования смачивания является обычным явлением.^[23]

Неидеальные шероховатые твердые поверхности

В отличие от идеальных поверхностей, настоящие поверхности не обладают идеальной гладкостью, жесткостью или химической однородностью. Подобные отклонения от идеальности приводят к явлению, называемому гистерезис контактного угла, определяемую как разность опережающих (θ_а) и удаляющейся (θ_р) краевые углы^[24]

Когда контактный угол находится между наступающим и отступающим случаями, линия контакта считается закрепленной, и можно наблюдать гистерезисное поведение, а именно гистерезис контактного угла. Когда эти значения превышаются, смещение контактной линии, как на рисунке 3, будет происходить либо за счет расширения, либо втягивания капли.^[25] На рис. 6 показаны углы смачивания при движении вперед и назад. Угол контакта при продвижении — это максимальный стабильный угол, а угол контакта при удалении — это минимальный стабильный угол. Гистерезис краевого угла возникает из-за того, что на неидеальном твердом теле обнаруживается множество различных термодинамически стабильных краевых углов. Эти изменяющиеся термодинамически стабильные краевые углы известны как метастабильные состояния.^[11]

Такое движение границы раздела фаз, включающее углы смачивания и отступления, известно как динамическое смачивание. Разница между динамическим и статическим углами смачивания пропорциональна капиллярное число, Когда линия контакта продвигается, покрывая большую часть поверхности жидкостью, угол контакта увеличивается и, как правило, связан со скоростью линии контакта.^[25][26] Если скорость линии контакта неограниченно увеличивается, угол смачивания увеличивается, и по мере приближения к 180 ° газовая фаза увлекается тонким слоем между жидкостью и твердым телом. Это кинетический неравновесный эффект, который возникает из-за того, что линия контакта движется с такой высокой скоростью, что полное смачивание не может произойти.

Известным отклонением от идеальных условий является грубая текстура исследуемой поверхности. Шероховатая текстура поверхности может относиться к одной из двух категорий: однородная и неоднородная. Режим гомогенного смачивания — это когда жидкость заполняет бороздки шероховатой поверхности. Однако при гетерогенном режиме смачивания поверхность состоит из двух типов пятен. Важным примером такой композитной поверхности является поверхность, состоящая из участков как воздуха, так и твердого тела. Такие поверхности по-разному влияют на краевые углы смачивания жидкостей. Кэсси-Бакстер и Венцель — две основные модели, которые пытаются описать смачивание текстурированных поверхностей. Однако эти уравнения применимы только тогда, когда размер капли достаточно велик по сравнению со шкалой шероховатости поверхности.^[27] Когда размер капли сравним с размером нижележащих столбов, следует учитывать эффект натяжения линии.^[28]

Модель Венцеля

В Модель Венцеля (Роберт Н. Венцель, 1936) описывает режим однородного смачивания, как показано на рисунке 7, и определяется следующим уравнением для краевого угла смачивания на шероховатой поверхности:^[27]

куда — кажущийся угол смачивания, который соответствует стабильному состоянию равновесия (то есть состоянию с минимальной свободной энергией для системы). В коэффициент шероховатости, r, является мерой того, как шероховатость поверхности влияет на однородную поверхность. Коэффициент шероховатости определяется как отношение истинной площади твердой поверхности к кажущейся площади.

θ — это Угол контакта молодого как определено для идеальной поверхности. Хотя уравнение Венцеля показывает, что контактный угол шероховатой поверхности отличается от внутренний угол контакта, он не описывает угол контакта гистерезис.^[29]

Модель Кэсси-Бакстера

При работе с неоднородной поверхностью модели Венцеля недостаточно. Необходима более сложная модель, чтобы измерить, как изменяется кажущийся угол смачивания при использовании различных материалов. Эта неоднородная поверхность, подобная изображенной на рисунке 8, объясняется с помощью уравнения Кэсси-Бакстера (Закон Кэсси ):^[27]

Здесь р_ж — коэффициент шероховатости мокрой поверхности и ж — доля площади твердой поверхности, смоченной жидкостью. Важно понимать, что когда ж = 1 и р_ж = г, уравнения Кэсси – Бакстера превращаются в уравнение Венцеля. С другой стороны, когда имеется много различных долей шероховатости поверхности, каждая доля от общей площади поверхности обозначается как .

Суммирование всего равно 1 или общей поверхности. Кэсси – Бакстер также можно преобразовать в следующее уравнение:^[30]

Здесь γ — поверхностное натяжение Кэсси – Бакстера между жидкостью и паром, γ_{я, св} — поверхностное натяжение твердого пара каждого компонента, а γ_{я, сл} — поверхностное натяжение твердой жидкости каждого компонента. Стоит упомянуть случай, когда капля жидкости помещается на подложку и создает под ней небольшие воздушные карманы. Этот случай для двухкомпонентной системы обозначается:^[30]

Здесь следует отметить ключевое различие в том, что для второй компоненты поверхностного натяжения между твердым телом и паром отсутствует поверхностное натяжение. Это связано с предположением, что открытая поверхность воздуха находится под каплей и является единственным другим субстратом в системе. Впоследствии уравнение выражается как (1 — ж). Следовательно, уравнение Кэсси может быть легко выведено из уравнения Кэсси – Бакстера. Экспериментальные результаты относительно свойств поверхности систем Венцеля и Кэсси-Бакстера показали эффект закрепления для угла Юнга от 180 до 90 °, области, классифицированной в рамках модели Кэсси-Бакстера. Эта композитная система жидкость / воздух в значительной степени гидрофобна. После этого был обнаружен резкий переход к режиму Венцеля, когда капля смачивает поверхность, но не дальше краев капли. Фактически уравнения Юнга, Венцеля и Кэсси-Бакстера представляют собой условия трансверсальности вариационной задачи смачивания.^[31][32]

Пленка-предшественник

С появлением изображений с высоким разрешением исследователи начали получать экспериментальные данные, которые заставили их усомниться в предположениях уравнения Кэсси-Бакстера при вычислении видимого краевого угла. Эти группы^{[ВОЗ? ]} полагают, что кажущийся угол смачивания во многом зависит от тройной линии. Тройная линия, соприкасающаяся с неоднородной поверхностью, не может лежать на неоднородной поверхности, как остальная часть капли. По идее, это должно следовать за несовершенством поверхности. Этот изгиб тройной линии неблагоприятен и не наблюдается в реальных ситуациях. Теория, которая сохраняет уравнение Кэсси – Бакстера и в то же время объясняет наличие минимизированного энергетического состояния тройной линии, основана на идее пленки-предшественника. Эта пленка субмикронной толщины опережает движение капли и находится вокруг тройной линии. Кроме того, эта пленка-предшественник позволяет тройной линии изгибаться и принимать различные формы, которые изначально считались неблагоприятными. Эта жидкость-предшественник наблюдалась с использованием сканирующая электронная микроскопия окружающей среды (ESEM) на поверхностях с порами, сформированными в объеме. С введением концепции пленки-предшественника тройная линия может следовать энергетически возможным конформациям, тем самым правильно объясняя модель Кэсси – Бакстера.^[33]

«Эффект лепестка» против «эффекта лотоса»

Внутренняя гидрофобность поверхности может быть улучшена за счет текстурирования с различными масштабами длины грубость. Красный Роза использует это преимущество, используя иерархию микро- и наноструктур на каждом лепестке, чтобы обеспечить достаточную шероховатость для супергидрофобности. Точнее говоря, каждый лепесток розы имеет на своей поверхности набор микропапилл, а каждый сосочек, в свою очередь, имеет множество нано складок. Период, термин «лепестковый эффект «описывает тот факт, что капля воды на поверхности лепестка розы имеет сферическую форму, но не может скатиться, даже если лепесток перевернуть вверх дном. Капли воды сохраняют свою сферическую форму из-за супергидрофобности лепестка (угол контакта примерно 152,4 °), но не скатывается, потому что поверхность лепестка имеет высокую силу сцепления с водой.^[34]

При сравнении «лепестковый эффект «к»эффект лотоса «, важно отметить некоторые поразительные различия. Структуру поверхности листа лотоса и лепестка розы, как показано на рисунке 9, можно использовать для объяснения двух различных эффектов.

Лист лотоса имеет случайно шероховатую поверхность и низкий угол контакта гистерезис, что означает, что капля воды не может смачивать микроструктурные пространства между шипами. Это позволяет воздуху оставаться внутри текстуры, создавая неоднородную поверхность, состоящую как из воздуха, так и из твердого вещества. В результате сила сцепления между водой и твердой поверхностью чрезвычайно мала, что позволяет воде легко скатываться (т.е. «самоочищение «явление»).

Микро- и наноструктуры лепестков розы крупнее по размеру, чем у листа лотоса, что позволяет пленке жидкости пропитать текстуру. Однако, как показано на рисунке 9, жидкость может попасть в канавки большего размера, но не может попасть в канавки меньшего размера. Это известно как режим пропитки Кэсси. Поскольку жидкость может смачивать канавки большего размера, сила сцепления между водой и твердым телом очень высока. Это объясняет, почему капля воды не упадет, даже если лепесток наклонен под углом или перевернут. Этот эффект потерпит неудачу, если капля имеет объем более 10 мкл, потому что нарушен баланс между весом и поверхностным натяжением.^[35]

Переход Кэсси-Бакстера к Венцеля

в Модель Кэсси-Бакстера, капля находится на текстурированной поверхности, а под ней находится воздух. Вовремя переход смачивания из состояния Кэсси в состояние Венцеля воздушные карманы больше не являются термодинамически стабильными, и жидкость начинает зарождаться из середины капли, создавая «грибовидное состояние», как показано на рисунке 10.^[36] Условие проникновения определяется следующим образом:

куда

• θ_C критический угол смачивания
• Φ — доля границы раздела твердое / жидкое, при которой капля контактирует с поверхностью
• р — сплошная шероховатость (для плоской поверхности r = 1)

Фронт проникновения распространяется, чтобы минимизировать поверхностную энергию, пока не достигнет краев капли, достигая, таким образом, состояния Венцеля. Поскольку твердое тело можно рассматривать как абсорбирующий материал из-за его шероховатости поверхности, это явление растекания и впитывания называется полувыкованием. Краевые углы, при которых происходит растекание / пропитывание, составляют от 0 до π / 2.^[37]

Модель Венцеля справедлива между θ_C и π / 2. Если контактный угол меньше Θ_Cфронт проникновения выходит за пределы капли и на поверхности образуется пленка жидкости. На рисунке 11 изображен переход от состояния Венцеля к состоянию поверхностной пленки. Пленка сглаживает шероховатость поверхности, и модель Венцеля больше не применяется. В этом состоянии условие равновесия и соотношение Юнга дают:

^[36]

За счет точной настройки шероховатости поверхности можно добиться перехода как между супергидрофобными, так и супергидрофильными областями. Как правило, чем грубее поверхность, тем она более гидрофобна.

Динамика распространения

Если капля помещается на гладкую горизонтальную поверхность, она обычно не находится в состоянии равновесия. Следовательно, он распространяется до достижения равновесного радиуса контакта (частичное смачивание). С учетом капиллярного, гравитационного и вязкого вкладов радиус капли как функция времени может быть выражен как^[38]

Для ситуации полного смачивания радиус капли в любой момент во время процесса растекания определяется выражением

куда

• γ_LG является поверхностное натяжение жидкости
• V объем капли
• η является вязкость жидкости
• ρ является плотность жидкости
• грамм является гравитационная постоянная
• λ коэффициент формы, 37,1 м⁻¹
• т₀ экспериментальное время задержки
• р_е радиус капли в равновесии

Изменение смачивающих свойств

Поверхностно-активные вещества

Многие технологические процессы требуют контроля растекания жидкости по твердым поверхностям. Когда капля помещается на поверхность, она может полностью или частично намочить или не намочить поверхность. За счет уменьшения поверхностного натяжения с поверхностно-активные вещества несмачиваемый материал может быть частично или полностью смачиваемым. Избыточная свободная энергия (σ) капли на твердой поверхности равна:^[39]

• γ — межфазное натяжение жидкость – пар
• γ_SL — межфазное натяжение твердое тело – жидкость
• γ_SV — межфазное натяжение твердого тела и пара
• S площадь границы раздела жидкость – пар
• п избыточное давление внутри жидкости
• р радиус основания капли

На основании этого уравнения избыточная свободная энергия минимизируется при уменьшении γ, γ_SL уменьшается, или γ_SV увеличивается. Поверхностно-активные вещества абсорбируются на поверхностях раздела жидкость-пар, твердое тело-жидкость и твердое тело-пар, что изменяет смачиваемость гидрофобных материалов для уменьшения свободной энергии. Когда поверхностно-активные вещества абсорбируются на гидрофобной поверхности, группы полярных головок обращены в раствор хвостом наружу. На более гидрофобных поверхностях поверхностно-активные вещества могут образовывать двойной слой на твердом теле, что делает его более гидрофильным. Динамический радиус капли можно охарактеризовать, когда капля начинает растекаться. Таким образом, краевой угол изменяется на основе следующего уравнения:^[39]

• θ₀ начальный контактный угол
• θ_∞ конечный угол контакта
• τ шкала времени переноса поверхностно-активного вещества

По мере поглощения поверхностно-активных веществ поверхностное натяжение твердое тело – пар увеличивается, а края капли становятся гидрофильными. В результате капля распространяется.

Изменения поверхности

Ферроцен это редокс -активное металлоорганическое соединение^[41] которые могут быть включены в различные мономеры и раньше делал полимеры который можно привязать к поверхности.^[40] Винил ферроцен (ферроценилэтен) может быть получен Реакция Виттига^[42] а затем полимеризовали с образованием поливинилферроцена (PVFc), аналог из полистирол. Другой полимер, который может быть получен, — это поли (2- (метакрилоилокси) этил ферроценкарбоксилат), PFcMA. И PVFc, и PFcMA были привязаны к кремнезем пластины и смачиваемость, измеренная, когда полимерные цепи не заряжены и когда ферроцен части окисляются с образованием положительно заряженных групп, как показано справа.^[40] Краевой угол смачивания с водой на пластинах, покрытых PFcMA, был на 70 ° меньше после окисления, в то время как в случае PVFc уменьшение составляло 30 °, и было показано, что переключение смачиваемости обратимо. В случае PFcMA влияние более длинных цепей с большим количеством ферроценовых групп (а также большей молярная масса ) был исследован, и было обнаружено, что более длинные цепи приводят к значительно большему уменьшению угла смачивания.^[40][43]

Кислородные вакансии

Оксиды редкоземельных элементов обладают собственной гидрофобностью и, следовательно, могут использоваться в термостабильных теплообменники и другие применения, связанные с гидрофобностью при высоких температурах.^[44] Наличие кислородных вакансий на поверхности оксидов церия или других оксидов редкоземельных элементов играет важную роль в регулировании смачиваемости поверхности. Адсорбция воды на оксидных поверхностях может происходить как молекулярная адсорбция, при которой H₂Молекулы O остаются нетронутыми на конечной поверхности или в результате диссоциативной адсорбции, при которой OH и H адсорбируются отдельно.^[45] на твердых поверхностях. Обычно обнаруживается, что присутствие кислородных вакансий увеличивает гидрофобность, способствуя диссоциативной адсорбции.^[46]

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

• де Женн, Пьер-Жиль; Брошар-Вяр, Франсуаза; Quéré, Дэвид (2004). Капиллярность и явления смачивания. Springer Нью-Йорк. Дои:10.1007/978-0-387-21656-0. ISBN  978-1-4419-1833-8. S2CID  137894832.
• Виктор Михайлович Старов; Мануэль Г. Веларде; Клейтон Дж. Радке (2 апреля 2007 г.). Динамика смачивания и растекания. CRC Press. ISBN  978-1-4200-1617-8.

внешняя ссылка

• Что такое смачиваемость?
• СМИ, связанные с Смачивание в Wikimedia Commons