Genom att använda en rad teoretiska och simuleringsmetoder, fysiker från University of Bristol har visat att vätskor i kontakt med substrat kan uppvisa ett begränsat antal beteendeklasser och identifiera de viktiga nya.

Deras fynd, publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ), utmana den accepterade visdomen om vätnings- och torkningsfasbeteende.

Författarna tillhandahåller en fast konceptuell ram för att skräddarsy egenskaperna hos nya material, inklusive att hitta superavvisande substrat, som att driva ut vatten från vindrutor, samt förstå hydrofoba interaktioner på biomolekylers längdskala.

När en vätska som vatten stöts bort från ett fast substrat, droppen som skapas uppvisar en stor kontaktvinkel. Detta är känt som ett hydrofobt tillstånd, eller superhydrofob om kontaktvinkeln är mycket stor, så att droppen bildar en nästan sfärisk form.

Däremot, om substratet attraherar vätskan tillräckligt starkt – med andra ord, ett hydrofilt substrat – detta skapar en liten kontaktvinkel och droppen sprider sig över ytan.

Huruvida en yta är hydrofob eller hydrofil bestäms av graden av molekylär attraktion mellan substratet och vätskan.

Att kontrollera attraktionen är nyckeln till substratets vätbarhet, som avgör hur många fysiska och biologiska system som fungerar. Till exempel, växtblad är ofta hydrofoba, låta dem förbli torra under regn så att gasutbyte kan ske genom deras porer. Dock, vätskor som färger, bläck och smörjmedel krävs för att spridas ut på beläggning eller "våta" ytor.

Byggde på tidiga insikter från tidigare Bristol Ph.D. student Dr Maria Stewart, Professor Bob Evans och professor Nigel Wilding tillämpade ett antal teoretiska och simuleringstekniker på realistiska vätskemodeller för att studera egenskaperna hos hydrofoba och hydrofila substrat.

De upptäckte rikt och oväntat beteende såsom divergerande densitetsfluktuationer associerade med fenomenet "kritisk torkning" vid ett superhydrofobt substrat.

Professor Evans sa:"Att klargöra faktorerna som styr kontaktvinkeln för en vätska på ett fast substrat är ett långvarigt vetenskapligt problem som är relevant inom fysiken, kemi och materialvetenskap. Framsteg har hämmats av avsaknaden av en heltäckande och enhetlig förståelse av fysiken för vätning och torkning av fasövergångar. Våra resultat visar att karaktären av dessa övergångar beror känsligt på både intervallet av vätske-vätska och substrat-vätska-interaktioner och temperaturen."

Professor Wilding tillade:"Vårt arbete har avslöjat tidigare okända klasser av ytfasdiagram som de flesta experimentella och simuleringsstudier av vätskor i kontakt med ett substrat hör till. En särskilt intressant egenskap relaterar till vatten nära superhydrofoba substrat där man observerar fenomenet "kritiska" torkning' som θ →180°. Detta signaleras av divergerande densitetsfluktuationer som leder till rika strukturella egenskaper inklusive fraktala arrangemang av ångbubblor nära substratet."