Увлажнение
-
Смачивание и его роль
- Смачивание — это способность жидкости вытеснять газ для поддержания контакта с твердой поверхностью.
- Смачивание происходит в присутствии газовой фазы или другой жидкости, не смешивающейся с первой.
- Степень увлажнения определяется соотношением сил адгезии и сцепления.
-
Типы увлажнения
- Существует два типа увлажнения: нереактивное и реактивное.
- Смачивание играет важную роль в соединении или адгезии материалов.
-
Поверхностно-активные вещества
- Поверхностно-активные вещества могут увеличивать смачивающую способность жидкости.
- Смачивание находится в центре внимания нанотехнологий и нанонауки.
-
Объяснение смачивания
- Силы сцепления между жидкостью и твердым веществом приводят к растеканию капли.
- Силы сцепления внутри жидкости приводят к скручиванию капли.
- Угол смачивания (θ) определяется балансом между адгезивными и когезионными силами.
-
Углы смачивания
- Угол смачивания менее 90° указывает на благоприятное смачивание.
- Углы смачивания более 90° указывают на неблагоприятное смачивание.
- Супергидрофобные поверхности имеют углы смачивания более 150°.
-
Типы твердых поверхностей
- Твердые поверхности подразделяются на высокоэнергетические и низкоэнергетические.
- Высокоэнергетические поверхности требуют большого количества энергии для разрушения.
- Низкоэнергетические поверхности удерживаются слабыми силами и могут быть частично смачиваемыми.
-
Смачивание поверхностей с низким энергопотреблением
- Низкоэнергетические поверхности взаимодействуют с жидкостями через дисперсионные силы.
- Уильям Зисман установил линейную зависимость между cosθ и поверхностным натяжением.
- Критическое поверхностное натяжение (yc) является важным параметром для предсказания смачиваемости поверхности.
-
Идеальные твердые поверхности
- Идеальная поверхность — плоская, жесткая, идеально гладкая, химически однородная и с нулевым гистерезисом.
- На идеальной поверхности капля вернет свою первоначальную форму.
-
Минимизация энергопотребления
- В равновесии суммарная сила на единицу длины вдоль границы между тремя фазами должна быть равна нулю.
- Уравнение Юнга связывает поверхностное натяжение между тремя фазами.
-
Неидеально гладкие поверхности
- Уравнение Юнга предполагает идеально ровную и жесткую поверхность.
- На реальных поверхностях капля будет падать под широким спектром углов смачивания.
- Равновесный угол смачивания может быть рассчитан из опережающего и уменьшающегося углов смачивания.
-
Уравнение Янга–Дюпре
- Уравнение Янга–Дюпре гласит, что поверхностные энергии не могут быть больше суммы двух других.
- Полное увлажнение при ySG > ySL + yLG, нулевое увлажнение при ySL > ySG + yLG.
- Отсутствие решения уравнения указывает на отсутствие равновесной конфигурации.
-
Параметр S растекания
- S > 0: полное смачивание.
- S < 0: частичное смачивание.
- Уравнение Юнга–Дюпре: S < 0.
-
Обобщенная модель угла смачивания
- Модифицированное уравнение Юнга не выполняется на микро-наноуровне.
- Знак натяжения линии не сохраняется.
- Свободная энергия трехфазной системы: VdP становится существенным в малых масштабах.
- Давление Лапласа пропорционально средней кривизне капли.
- Уравнение связывает угол смачивания, геометрию капли и кривизну поверхности.
-
Вычислительное предсказание увлажнения
- Данные о поверхностной энергии и экспериментальные наблюдения недоступны для многих конфигураций.
- Атомистические подходы, такие как молекулярная динамика и теория функционала плотности, используются для предсказания смачивания.
-
Неидеальные шероховатые поверхности
- Реальные поверхности не идеальны, что приводит к гистерезису угла контакта.
- Гистерезис угла контакта возникает из-за множества термодинамически стабильных углов смачивания.
- Динамическое смачивание: линия контакта движется, увеличивая и уменьшая углы контакта.
-
Модели смачивания шероховатых поверхностей
- Модель Венцеля описывает режим однородного смачивания.
- Модель Кэсси–Бакстера описывает неоднородную поверхность.
- Уравнения Венцеля и Кэсси–Бакстера описывают условия трансверсальности вариационной задачи о смачивании.
-
Пленка-предшественник
- Экспериментальные данные указывают на зависимость видимого угла контакта от тройной линии.
- Тройная линия не может опираться на неоднородную поверхность, что соответствует дефекту поверхности.
-
Теория пленки-предшественника
- Пленка-предшественник опережает движение капли и располагается вокруг тройной линии
- Пленка позволяет тройной линии изгибаться и принимать различные формы
- Обнаружена с помощью сканирующей электронной микроскопии
-
«Эффект лепестка» и «эффект лотоса»
- Красная роза использует иерархию микро- и наноструктур для супергидрофобности
- Лепесток розы имеет множество микропапил и наноразмерных складок
- Капли воды сохраняют сферическую форму благодаря супергидрофобности
- Лист лотоса имеет случайную шероховатость и низкий гистерезис угла смачивания
-
Переход Кэсси–Бакстер к Венцелю
- В модели Cassie–Baxter капля располагается поверх текстурированной поверхности
- Во время перехода смачивания из состояния Касси в состояние Венцеля жидкость зарождается в середине капли
- Условие проникновения задается формулой
-
Динамика распространения
- Капля на гладкой поверхности не находится в равновесном состоянии
- Радиус капли как функция времени зависит от капиллярного, гравитационного и вязкого вкладов
-
Изменение смачивающих свойств
- Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение и изменяют свойства гидрофобных материалов
- Поверхностно-активные вещества абсорбируются на границах раздела и изменяют свойства поверхности
-
Поверхностные изменения
- Ферроцен может быть включен в полимеры для изменения смачиваемости
- Полимеры PVFc и PFcMA были нанесены на кремнеземные пластины и показали обратимое изменение смачиваемости
-
Кислородные вакансии
- Оксиды редкоземельных элементов обладают внутренней гидрофобностью
- Наличие кислородных вакансий повышает гидрофобность и способствует диссоциативной адсорбции