Fysikere kaster nyt lys over, hvordan væsker opfører sig med andre materialer

Ved hjælp af en række teoretiske og simuleringsmetoder, fysikere fra University of Bristol har vist, at væsker i kontakt med substrater kan udvise et begrænset antal adfærdsklasser og identificere de vigtige nye.

Deres fund, offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ), udfordre den accepterede visdom om fugt- og tørrefaseadfærd.

Forfatterne giver en fast konceptuel ramme for at skræddersy egenskaberne af nye materialer, herunder at finde superafvisende substrater, f.eks. udstødning af vand fra forruder, samt forståelse af hydrofobe interaktioner i biomolekylers længdeskala.

Når en væske som vand frastødes fra et fast underlag, den skabte dråbe udviser en stor kontaktvinkel. Dette er kendt som en hydrofob tilstand, eller superhydrofobisk, hvis kontaktvinklen er meget stor, så dråben danner en næsten sfærisk form.

Derimod, hvis substratet tiltrækker væsken tilstrækkeligt stærkt - med andre ord, et hydrofilt substrat - dette skaber en lille kontaktvinkel, og dråben breder sig over overfladen.

Om en overflade er hydrofob eller hydrofil bestemmes af graden af ​​molekylær tiltrækning mellem substratet og væsken.

Kontrol af attraktionen er nøglen til befugtning af substrater, som bestemmer hvor mange fysiske og biologiske systemer der fungerer. For eksempel, planteblade er ofte hydrofobe, tillader dem at forblive tørre under regn, så gasudveksling kan forekomme gennem deres porer. Imidlertid, væsker som maling, blæk og smøremidler er påkrævet for at sprede sig til belægning eller 'våde' overflader.

Bygger på tidlig indsigt opnået af tidligere Bristol Ph.D. studerende Dr. Maria Stewart, Professor Bob Evans og professor Nigel Wilding anvendte en række teoretiske og simuleringsteknikker til realistiske væskemodeller for at studere egenskaberne af hydrofobe og hydrofile substrater.

De opdagede rig og uventet adfærd, såsom divergerende tæthedsudsving forbundet med fænomenet 'kritisk tørring' på et superhydrofobisk substrat.

Professor Evans sagde:"At tydeliggøre de faktorer, der styrer en væskes kontaktvinkel på et fast underlag, er et mangeårigt videnskabeligt problem, der er relevant på tværs af fysik, kemi og materialevidenskab. Fremskridt er blevet hæmmet af manglen på en omfattende og samlet forståelse af fysikken ved befugtning og tørring af faseovergange. Vores resultater viser, at karakteren af ​​disse overgange afhænger følsomt af både intervallet mellem væske-væske og substrat-væske-interaktioner og temperaturen. "

Professor Wilding tilføjede:"Vores arbejde har afdækket tidligere ukendte klasser af overfladefasediagrammer, som de fleste eksperimentelle og simuleringsstudier af væsker i kontakt med et substrat tilhører. En særlig interessant egenskab vedrører vand nær superhydrofobe substrater, hvor man observerer fænomenet` kritiske tørring 'som θ → 180 °. Dette signaleres af divergerende tæthedsudsving, der fører til rige strukturelle egenskaber, herunder fraktalarrangementer af dampbobler nær substratet. "