Ultrahidrofobicitat

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Una gota en la superfície d'un lotus.

Les superfícies superhidrofòbiques són altament hidròfobes, i.e., extremadament difícils d'humitejar. L'angle de contacte d'una gota d'aigua és superior a 150° i l'angle d'histèresi de l'angle de lliscament/contacte és menor que 10°.[1] Això també es coneix com l'efecte lotus, a causa que es presenta en les fulles de la superhidrofòbica planta de lotus.

Teoria[modifica | modifica el codi]

En 1805, Thomas Young defineix l'angle de contacte θ mitjançant l'anàlisi de les forces que actuen sobre una goteta de fluid en repòs sobre una superfície sòlida envoltada per un gas.[2]

Una goteta de líquid descansa sobre una superfície sòlida i està envoltat per gas. L'angle de contacte, θC, és l'angle format per un líquid en el límit de tres fases on el líquid, gas, i sòlid es creuen.
Una goteta de repòs sobre una superfície sòlida i envoltat per un gas forma un angle de contacte característic θ. Si la superfície sòlida és aspra, i el líquid està en contacte íntim amb les asprors sòlids, la gota està en l'estat Wenzel. Si el líquid es recolza en la part superior de les asprors, és en l'estat Cassie-Baxter.
on
= Tensió interfacial entre el sòlid i el gas
= Tensió interfacial entre el sòlid i el líquid
= Tensió interfacial entre el líquid i el gas

l'angle θ pot ser mesurat usant un Goniòmetre.

Wenzel determinat que quan el líquid està en contacte íntim amb una superfície microestructurada, θ canviarà a

on r és la relació de l'àrea real de la zona projectada.[3] L'equació de Wenzel mostra que la microestructuració d'una superfície amplifica la tendència natural de la superfície. Una superfície hidròfoba (una que té un angle de contacte original major que 90°) es fa encara més hidròfoba quan és microestructurada - el seu nou angle de contacte es fa més gran que l'original. No obstant això, una superfície hidròfila (una que té un angle de contacte original de menys de 90°) es torna més hidròfila quan és microestructurada - el seu nou angle de contacte es torna encara menys que l'original.[4]

Cassie i Baxter van trobar que si el líquid està suspès a la part alta de microestructures, θ canviarà a

= φ(cos θ + 1) – 1

on φ és la fracció d'àrea del sòlid que toca el líquid.[5] Els líquids en l'estat Cassie-Baxter són més mòbils que en l'estat Wenzel.

Es pot predir si l'existeixen l'estat Wenzel o el Cassie-Baxter calculant el nou angle de contacte amb ambdues equacions. Per una minimització d'argument energia lliure, la relació que va predir el menor nou angle de contacte és més probable l'estat que existeixi. Expressat matemàticament, perquè existeixi l'estat de Cassie-Baxter, la desigualtat següent ha de ser veritat.[6]

< (φ-1)/(r - φ)

Un recent criteri alternatiu per a l'estat de Cassie-Baxter afirma que existeix l'estat Cassie-Baxter quan es compleixen els 2 criteris següents:

1) les forces de contacte de línia superen les forces de cos de pes gota sense suport i

2) Les microestructures són prou altes com per evitar que el líquid formi ponts de connexió entre les microestructures tocant la base de les microestructures.[7]

L'angle de contacte és una mesura de la hidrofobicitat estàtica, i la histèresi de l'angle de contacte i l'angle de lliscament són mesures dinàmiques. La histèresi de l'angle de contacte és un fenomen que caracteritza l'heterogeneïtat de la superfície.[8] Quan una pipeta injecta un líquid sobre un sòlid, el líquid formarà un angle de contacte. Quan la pipeta injecta més líquid, la goteta augmentarà en volum, l'angle de contacte s'incrementarà, però el seu límit trifàsic romandrà estacionari fins que de sobte avançi cap a l'exterior. L'angle de contacte que la goteta tenia immediatament abans d'avançar cap a l'exterior es denomina "angle de contacte d'avanç". L'angle de contacte de reculada ara es mesura mitjançant el bombament del líquid fora de la goteta. La goteta disminuirà en volum, l'angle de contacte disminueix, però el seu límit trifàsic romandrà estacionari fins que de sobte s'allunyi cap a l'interior.

L'angle de contacte que la goteta tenia immediatament abans de retrocedir cap a l'interior es denomina "angle de contacte de reculada". La diferència entre l'avanç i la reculada dels angles de contacte es denomina histèresi de l'angle de contacte i es pot utilitzar per caracteritzar l'heterogeneïtat de la superfície, rugositat, i mobilitat. Les superfícies que no són homogènies tindran dominis que impedeixen el moviment de la línia de contacte. L'angle de lliscament és una altra mesura dinàmica de la hidrofobicitat i es mesura mitjançant el dipòsit d'una gota sobre una superfície i la inclinació de la superfície fins que la gota comença a lliscar-se. Els líquids en l'estat Cassie-Baxter generalment presenten angles de lliscament inferior i l'angle de contacte d'histèresi que aquells en l'estat Wenzel.

Es pot utilitzar un model simple per predir l'eficàcia d'una superfície artificial feta per l'home (tant micro o nano-fabricada) pel seu estat condicional (wenzel o cassie-baxter), angle de contacte i l'angle de contacte d'histèresi.[9] El factor principal d'aquest model és la densitat de la línia de contacte, Λ, que és el perímetre total d'asprors sobre una determinada unitat d'àrea.

#QQ16[modifica | modifica el codi]

La densitat de la línia crítica de contacte Λc és una funció de les forces del cos i de la superfície, així com l'àrea projectada de la goteta.

on

ρ = densitat de la goteta de líquid
g = acceleració deguda a la gravetat
V = volum de la goteta de líquid.
θa = avanç aparent de l'angle de contacte
θa,0 = l'avanç d'angle de contacte d'un substrat
γ = la tensió superficial del líquid
w = angle de la paret de la torre

Si Λ > Λc, les gotes se suspenen en l'estat Cassie-Baxter. En cas contrari, la gota es col·lapsarà en l'estat wenzel.

Per a calcular actualitzat l'avanç i reculada dels angles de contacte en l'estat de Cassie-Baxter, es poden utilitzar les següents equacions.

també amb l'estat wenzel:

on

λp = fracció lineal de la línia de contacte en les asprors.
θr,0= reculada de l'angle de contacte d'un substrat
θair = angle de contacte entre el líquid i l'aire (típicament se suposa que és 180°)

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. Wang, Shutao «Definition of superhydrophobic states». Advanced Materials, 19, 21,  2007, pàg. 3423–3424. 10.1002/adma.200700934.
  2. Falta indicar la publicació . DOI: 10.1098/rstl.1805.0005.
  3. Falta indicar la publicació . DOI: 10.1021/ie50320a024.
  4. {{{títol}}}. ISBN 0-387-00592-7. 
  5. Falta indicar la publicació . DOI: 10.1039/tf9444000546.
  6. Falta indicar la publicació . Bibcode: 2005RPPh...68.2495Q. DOI: 10.1088/0034-4885/68/11/R01.
  7. Falta indicar la publicació .
  8. Falta indicar la publicació . DOI: 10.1021/j100789a012.
  9. Falta indicar la publicació . DOI: 10.1021/la025769z.

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]

  • Shirtcliffe, Neil (1 d'abril de 2008). Error en el títol o la url.«». Test Tube.
  • Berger, Jeff (20 de febrer de 2014). Error en el títol o la url.«».