En nyligen genomförd studie av forskare från den kinesiska vetenskapsakademin omdefinierar hur vätskor bibehåller sin kontakt med fasta ytor – även känd som vätbarhet – ur ett intermolekylärt kraftperspektiv.

Resultaten publicerades i Nano Research den 8 februari.

Vätbarhet är relevant för design av material eftersom det avgör hur lager håller ihop. Enligt studieförfattaren och professorn Ye Tian från Key Laboratory of Bio-inspired Materials and Interfacial Science, "spelar den en avgörande roll inom många områden, såsom effektiviteten av katalytisk reaktion, separation, elektrodmaterial och designen av bioniska smarta material ." Till exempel kan smarta lager som ändrar kontakt beroende på fukt användas i sportkläder som anpassar sig efter fukt.

Vätbarhetsmodeller

Hög vätbarhet innebär att en vätskedroppe sprider sig och skapar en låg kontaktvinkel med ytan, medan låg vätbarhet beskriver en vätska som motstår spridning. Klassiskt kännetecknas vätbarheten, som indikeras av kontaktvinkeln, med Youngs ekvation, som modellerar en idealisk, perfekt slät yta. Om vattendroppen breder ut sig till en kontaktvinkel som är lägre än 90 grader, kategoriseras ytan som hydrofil eller vattenälskande. Om vattendroppen gör en kontaktvinkel högre än 90 grader, kategoriseras ytan som hydrofob.

Youngs modell har dock begränsningar när det gäller att förklara observerat beteende hos vätskor i kontakt med fasta ytor. Den kan till exempel inte förklara varför vattenkontaktsvinklarna ökar efter att ytor har ruggats upp, vilket beskrevs i en senare Wenzel och Cassie-modell. Studieförfattarna undersökte vidare interaktionerna mellan fasta ytor nedsänkta i rena vätskor på molekylär nivå för att bättre förstå hur de inneboende vätningströskelvärdena (IWTs) - de punkter där vätskor sprids eller pärlar. Säger Tian "en serie studier har funnit att hydrofob attraktion kan existera mellan apolära ytor och hydrofil repulsion mellan de polära ytorna i vatten, det vill säga att IWTs bör bero på de intermolekylära krafterna."

Inbyggda vätningströsklar

Forskarna experimenterade med interaktioner mellan fasta ämnen som består av en molekyltjocka lager (självmonterade monolager eller SAM) i olika vätskor för att titta på hur vätbarheten påverkade deras attraktion eller avstötning. De valde vatten, etylenglykol (EG), dimetylsulfoxid (DMSA) och N,N-dimetylformamid (DMF) som testvätskor för att representera en rad ytspänningar. Med hjälp av ett atomkraftmikroskop mätte de kraftkurvor för vidhäftningskrafterna mellan SAM i varje vätska. Kontaktvinklar bedömdes för 1 μL droppar av varje vätska med hjälp av ett kontaktvinkelsystem, en anordning som mäter analyser av droppform och kontaktvinkel med det fasta ämnet.

Resultaten visade att för vatten inträffade den inneboende vätningströskeln (IWT) vid en kontaktvinkel på 65° med det fasta ämnet, inte de 90° som förutspåtts av Youngs ekvation. Med andra ord, 65° var gränsytan mellan hydrofilt och hydrofobt beteende, vilket har att göra med skillnader i vattnets vätebindningsnätverk på vardera sidan om tröskeln. De fann också skillnader i vidhäftningskrafterna mellan vattenskiktet och de hårda ytorna (SAM) med övergången vid en kontaktvinkel på cirka 65°. Förklarar Tian, ​​"vi bekräftade att IWT för rent vatten är cirka 65° från synen på samverkanskrafter mellan symmetriska SAM."

De andra organiska vätskorna saknar vätebindningar, men ändå erhölls IWT genom att titta på förändringar i vidhäftningskrafter mellan de hårda ytorna (SAM) tillsammans med kontaktvinklarna. Resultaten gav "en ny kurva för IWTs, till skillnad från värdet definierat av Youngs ekvation, som kan användas för att förutse IWTs för rena vätskor med kända ytspänningar."

Nästa steg

Forskarna planerar att fortsätta att studera mekanismerna för vätning på molekylär nivå, med tanke på de betydande tillämpningarna för design av funktionella material. Efter att ha omdefinierat IWTs i förhållande till Youngs historiska ekvation, förväntar de sig att "ge ett nytt perspektiv för att förstå sambanden mellan vätbarhet och intermolekylär kraft", förutspår Tian. + Utforska vidare

Safirer visar sina sanna färger:Inte vattenälskande