Safirer viser deres sande farver:Ikke vandelskende

I 1805, Thomas Young studerede den mekaniske ligevægt ved den faste/væske/gas trefasede kontaktlinje (balancen af ​​kræfter, der virker på kontaktlinjen dannet af skæringspunktet mellem væske-gas-grænsefladen og den faste overflade), og introducerede det makroskopiske koncept "kontaktvinkel" og Youngs ligning. Baseret på antagelserne om en isotrop, homogen og glat overflade, Youngs ligning angiver forholdet mellem den faste overflades iboende kontaktvinkel og den frie grænsefladeenergi ved den trefasede faststof/væske/gas kontaktlinje.

Imidlertid, det er svært at opnå en så perfekt overflade i virkeligheden, og overflader er normalt heterogene. Selvom den makroskopiske overflade er glat, den mikroskopiske overflade har en tendens til at være kaotisk. Kontaktvinklen opnået på denne måde kan ikke kaldes den indre kontaktvinkel.

For at udforske materialernes iboende fugtbarhed, teamet af prof. Xiaolin Wang fra University of Wollongong og prof. Lei Jiang og prof. Tian Ye fra det kinesiske videnskabsakademi studerede i fællesskab befugtningsadfærden af ​​forskellige krystalflader af safir (α-Al) ₂ O ₃ ) enkeltkrystaller. Relaterede resultater blev offentliggjort i National Science Review (NSR) med titlen "Crystal Face Dependent Intrinsic Wettability of Metal Oxide Surfaces."

Overfladen af ​​aluminiumoxid er hydrofil, og kontaktvinklen af ​​den polykrystallinske overflade af aluminiumoxid er ca. 10 grader. Under forsøget, forskere var overraskede over at finde, at de iboende kontaktvinkler for alle fire α-Al ₂ O ₃ enkeltkrystaller med forskellige krystalflader er langt større end 10 grader, og kontaktvinklen for (1-102) krystalfladen er meget tæt på 90 grader. Den tidligere undersøgelse i vores gruppe havde bevist, at den iboende hydrofile og hydrofobe grænse for overfladematerialet er omkring 65 grader, så (1-102) krystaloverfladen er hydrofob.

Gennem DFT-simulering af strukturerne af de adsorberede grænsefladevandmolekyler ved forskellige krystalflader, det blev fundet, at sammenlignet med hydrofile (11-20), (10-10) og (0001) krystalflader, de adsorberede vandmolekyler ved (1-102) krystalflade er i stående tilstand; det er, hydrogenatomerne på den hydrofobe krystalflade er på det højeste punkt af det første lag af adsorberet vand. Derfor, vandmolekyler fra vanddråber ved den trefasede kontaktlinje kan kun danne én brintbinding med ét brintatom. Da en brintbindingsinteraktion er relativt svag, og så er den trefasede kontaktlinje let forankret. Men på de hydrofile krystalflader, oxygenatomerne i det adsorberede grænsefladevandmolekyle er på det højeste punkt. I dette tilfælde, der er to ensomme elektronpar af et oxygenatom til at danne to hydrogenbindingsinteraktioner med vandmolekyler af vanddråber ved trefasekontaktlinjen. Derfor, kontaktlinjen med tre linjer er lettere at sprede.

Dette arbejde startede fra den flade aluminiumoxidkrystalgrænseflade på atomniveau og viste, at orienteringen af ​​adsorberede grænsefladevandmolekyler har en enorm indvirkning på makroskopisk befugtning af faste overflader med den lignende kemiske sammensætning (aluminium og oxygen) og næsten ingen topografisk struktur (atomisk flad ). Dette arbejde fokuserer på studiet af iboende befugtning af den faste grænseflade, som kan give inspiration til at forbedre den katalytiske effektivitet, forberede fremragende funktionelle materialer, og forbedre ydeevnen af ​​sammensatte enheder.