Ny undersøgelse afslører, hvordan intermolekylære kræfter styrer design af smarte materialer

En nylig undersøgelse foretaget af forskere fra det kinesiske videnskabsakademi redefinerer, hvordan væsker bevarer deres kontakt med faste overflader - også kendt som fugtbarhed - fra et intermolekylært kraftperspektiv.

Resultaterne blev offentliggjort i Nano Research den 8. februar.

Befugtning er relevant for design af materialer, fordi det bestemmer, hvordan lag klæber sammen. Siger undersøgelsesforfatter og professor Ye Tian fra Key Laboratory of Bio-inspired Materials and Interface Science, at det "spiller en afgørende rolle på mange områder, såsom effektiviteten af ​​katalytisk reaktion, separation, elektrodematerialer og design af bioniske smarte materialer ." For eksempel kan smarte lag, der ændrer deres kontakt afhængigt af fugt, bruges i sportstøj, der tilpasser sig fugt.

Vættelighedsmodeller

Høj befugtningsevne betyder, at en væskedråbe spreder sig og skaber en lav kontaktvinkel med overfladen, hvorimod lav befugtning beskriver en væske, der modstår spredning. Klassisk er befugtningsevnen, som angivet ved kontaktvinklen, karakteriseret ved hjælp af Youngs ligning, som modellerer en ideel, perfekt glat overflade. Hvis vanddråben breder sig ud til en kontaktvinkel lavere end 90 grader, kategoriseres overfladen som hydrofil eller vandelskende. Hvis vanddråben laver en kontaktvinkel på mere end 90 grader, kategoriseres overfladen som hydrofob.

Youngs model har dog begrænsninger med hensyn til at forklare observeret adfærd af væsker i kontakt med faste overflader. For eksempel kan den ikke forklare, hvorfor vandkontaktvinklerne øges efter overflader er ru, hvilket blev beskrevet i en senere Wenzel og Cassie-model. Forfatterne af undersøgelsen undersøgte endvidere interaktionerne mellem faste overflader nedsænket i rene væsker på molekylært niveau for bedre at forstå, hvordan de iboende befugtningstærskler (IWT'er) - de punkter, hvor væsker spredes eller perler. Siger Tian "en række undersøgelser har fundet ud af, at hydrofob tiltrækning kan eksistere mellem apolære overflader og hydrofil frastødning mellem de(n) polære overflade(r) i vand, det vil sige, at IWT'erne bør afhænge af de intermolekylære kræfter."

Iboende befugtningstærskler

Forskerne eksperimenterede med vekselvirkninger af faste stoffer bestående af et-molekyle-tykke lag (selv-samlede monolag eller SAM'er) i forskellige væsker for at se på, hvordan befugtning påvirkede deres tiltrækning eller frastødning. De valgte vand, ethylenglycol (EG), dimethylsulfoxid (DMSA) og N,N-dimethylformamid (DMF) som testvæsker til at repræsentere en række overfladespændinger. Ved hjælp af et atomkraftmikroskop målte de kraftkurver for adhæsionskræfterne mellem SAM'erne i hver væske. Kontaktvinkler blev vurderet for 1 μL dråber af hver væske ved hjælp af et kontaktvinkelsystem, en enhed, der måler analyser af dråbeform og kontaktvinkel med det faste stof.

Resultaterne viste, at for vand forekom den indre befugtningstærskel (IWT) ved en kontaktvinkel på 65° med det faste stof, ikke de 90° forudsagt af Youngs ligning. Med andre ord var 65° grænsefladen mellem hydrofil og hydrofob adfærd, hvilket har at gøre med forskelle i vandets hydrogenbindingsnetværk på hver side af tærsklen. De fandt også forskelle i adhæsionskræfterne mellem vandlaget og de hårde overflader (SAM'er) med overgangen ved en kontaktvinkel på ca. 65°. Forklarer Tian, ​​"vi bekræftede, at IWT'en for rent vand er omkring 65° ud fra synet på interaktionskræfter mellem symmetriske SAM'er."

De andre organiske væsker mangler hydrogenbindinger, men alligevel blev IWT'erne opnået ved at se på ændringer i adhæsionskræfterne mellem de hårde overflader (SAM'er) sammen med kontaktvinklerne. Resultaterne gav "en ny kurve af IWT'erne, til forskel fra værdien defineret af Youngs ligning, som kan bruges til at forudbedømme IWT'erne for rene væsker med kendte overfladespændinger."

Næste trin

Forskerne planlægger at fortsætte med at studere mekanismerne for befugtning på molekylært niveau i betragtning af de betydelige anvendelser til design af funktionelle materialer. Efter at have omdefineret IWT'erne i forhold til Youngs historiske ligning, forventer de at "give et nyt perspektiv til at forstå forholdet mellem fugtbarhed og intermolekylær kraft," forudsiger Tian. + Udforsk yderligere

Safirer viser deres sande farver:Ikke vandelskende