Makroskopiska vätbarhetsskillnader för olika α-Al2O3-kristallytor och schematiska diagram för att illustrera mekanismen på molekylär nivå. (a) Polykristallin aluminiumoxid är mycket hydrofil, medan α-Al2O3-kristall är vänd mot (11-20), (10-10) och (0001) orienteringar är hydrofila, men (1-102) kristallytan är hydrofob (infälld visar den optiska bilden av ett spegelplatt enkristall a-Al2O3-prov). Schematiska diagram visar den sammansatta strukturen av adsorberade gränssnittsvattenmolekyler och de exponerade fasta atomerna. Orienteringen av vattenmolekyler kommer att resultera i två typiska statusar som erbjuder två ensamma elektronpar (b-d) eller en väteatom (e) i den översta positionen, som, i tur och ordning, resulterar i hydrofila och hydrofobiska, respektive. Kredit:Science China Press
År 1805, Thomas Young studerade den mekaniska jämvikten vid den fasta/vätske/gas trefasiga kontaktlinjen (balansen av krafter som verkar på kontaktlinjen som bildas av skärningspunkten mellan vätske-gasgränsytan och den fasta ytan), och introducerade det makroskopiska konceptet "kontaktvinkel" och Youngs ekvation. Baserat på antagandena om en isotrop, homogen och slät yta, Youngs ekvation anger förhållandet mellan den fasta ytans inneboende kontaktvinkel och den fria gränsytenergin vid den trefasiga kontaktlinjen fast/vätska/gas.
Dock, det är svårt att få en så perfekt yta i verkligheten, och ytor är vanligtvis heterogena. Även om den makroskopiska ytan är slät, den mikroskopiska ytan tenderar att vara kaotisk. Den på detta sätt erhållna kontaktvinkeln kan inte kallas den inre kontaktvinkeln.
För att utforska materialens inneboende vätbarhet, teamet av professor Xiaolin Wang från University of Wollongong och prof. Lei Jiang och prof. Tian Ye från den kinesiska vetenskapsakademin studerade tillsammans vätbarheten hos olika kristallytor av safir (α-Al) 2 O 3 ) enkristaller. Relaterade resultat publicerades i National Science Review (NSR) med titeln "Crystal Face Dependent Intrinsic Wettability of Metal Oxide Surfaces."
Ytan av aluminiumoxid är hydrofil, och kontaktvinkeln för den polykristallina ytan av aluminiumoxid är ca 10 grader. Under experimentet, forskare blev förvånade över att finna att de inneboende kontaktvinklarna för alla fyra α-Al 2 O 3 enkristaller med olika kristallytor är mycket större än 10 grader, och kontaktvinkeln för (1-102) kristallytan är mycket nära 90 grader. Den tidigare studien i vår grupp hade bevisat att den inneboende hydrofila och hydrofoba gränsen för ytmaterialet är cirka 65 grader, så (1-102) kristallytan är hydrofob.
Genom DFT-simulering av strukturerna för de adsorberade gränssnittsvattenmolekylerna vid olika kristallytor, det visade sig att jämfört med hydrofila (11-20), (10-10) och (0001) kristallytor, de adsorberade vattenmolekylerna vid (1-102) kristallytan är i stående tillstånd; det är, väteatomerna i den hydrofoba kristallytan är vid den högsta punkten av det första lagret av adsorberat vatten. Därför, vattenmolekyler från vattendroppar vid trefaskontaktlinjen kan bara bilda en vätebindning med en väteatom. Eftersom en vätebindningsinteraktion är relativt svag och då är trefaskontaktlinjen lätt förankrad. Men på de hydrofila kristallytorna, syreatomerna i den adsorberade gränsytvattenmolekylen är på den högsta punkten. I detta fall, det finns två ensamma elektronpar av en syreatom för att bilda två vätebindningsinteraktioner med vattenmolekyler av vattendroppar vid trefaskontaktlinjen. Därav, kontaktlinjen med tre linjer är lättare att sprida.
Detta arbete startade från gränssnittet av platta aluminiumoxidkristaller på atomnivå och visade att orienteringen av adsorberade gränssnittsvattenmolekyler har en enorm inverkan på den makroskopiska vätbarheten av fasta ytor med liknande kemisk sammansättning (aluminium och syre) och nästan ingen topografisk struktur (atomärt platt ). Detta arbete fokuserar på studiet av den inneboende vätbarheten hos det fasta gränssnittet, som kan ge inspiration för att förbättra den katalytiska effektiviteten, förbereda utmärkta funktionella material, och förbättra prestandan hos sammansatta enheter.
