Ultrahidrofobicitat

Una gota en la superfície d'un loto.

Les superfícies superhidrofóbicas són altament hidrófobas, i.i., extremadament difícils d'humir. l'àngul de contacte d'una gota d'aigua és superior a 150° i l'àngul d'histéresis de l'àngul d'esmonyida/contacte és menor que 10°. Açò també es coneix com l'efecte loto, degut a que es presenta en els fulls de la superhidrofóbica planta de loto.

Teoria

En 1805, Thomas Young definix l'àngul de contacte θ per mig de l'anàlisis de les forces que actuen sobre una goteta de decorregut en repòs sobre una superfície sòlida rodejada per un gas.

Archiu:Contact angle.svg

Una goteta de líquit descansa sobre una superfície sòlida i està rodejat per gas. L'àngul de contacte, θ_C, és l'àngul format per un líquit en el llímit de tres fases a on el líquit, gas, i sòlit es creuen.

Archiu:Contact angle microstates.svg

Una goteta de repòs sobre una superfície sòlida i rodejat per un gas forma un àngul de contacte característic θ. Si la superfície sòlida és asprosa, i el líquit està en contacte íntim en les asperezas sòlits, la gota està en l'estat Wenzel. Si el líquit es recolza en la part superior de les asperezas, és en l'estat Cassie-Baxter.

${\gamma }_{SG}={\gamma }_{SL}+{\gamma }_{LG}\cos \theta$

a on

${\gamma }_{SG}$ = Tensió interfacial entre el sòlit i el gas

${\gamma }_{SL}$ = Tensió interfacial entre el sòlit i el líquit

${\gamma }_{LG}$ = Tensió interfacial entre el líquit i el gas

θ pot ser medit usant un Goniómetro.

Wenzel determinat que quan el líquit està en contacte íntim en una superfície microestructurada, θ canviarà a ${\theta }_W*$

$\cos {\theta }_W*=r\cos \theta$

a on r és la relació de l'àrea real de la zona proyectada. L'equació de Wenzel mostra que la microestructuración d'una superfície amplifica la tendència natural de la superfície. Una superfície hidrófoba (una que té un àngul de contacte original major que 90°) es fa encara més hidrófoba quan és microestructurada - el seu nou àngul de contacte es fa major que l'original. No obstant, una superfície hidrófila (una que té un àngul de contacte original de menys de 90°) es torna més hidrófila quan és microestructurada - el seu nou àngul de contacte es torna encara menys que l'original.

Cassie i Baxter va trobar que si el líquit està suspés en la part alta de microestructura, θ canviarà a ${\theta }_{CB}*$

$\cos {\theta }_{CB}*$ = φ(cos θ + 1) – 1

a on φ és la fracció d'àrea del sòlit que toca el líquit. Els líquits en l'estat Cassie-Baxter són més mòvils que en l'estat Wenzel.

Es pot predir si l'existixen l'estat Wenzel o el Cassie-Baxter calculant el nou àngul de contacte en abdós equacions. Per una minimisació d'argument energia lliure, la relació que va predir el menor nou àngul de contacte és més provable l'estat que existixca. Expressat matemàticament, per a que existixca l'estat de Cassie-Baxter, la desigualtat següent deu ser veritat.

cos θ < (φ-1)/(r - φ)

Un recent criteri alternatius per a l'estat de Cassie-Baxter afirma que existix l'estat Cassie-Baxter quan es complixen els 2 criteris següents: 1) les forces de contacte de llínea superen les forces de cos de pes gota sense respal i 2) Les microestructura són lo suficientment altes com per a evitar que el líquit forme ponts de conexió entre les microestructura tocant la base de les microestructura.

L'àngul de contacte és una mida de la hidrofobicidad estàtica, i la histéresis de l'àngul de contacte i l'àngul d'esmonyida són mides dinàmiques. La histéresis de l'àngul de contacte és un fenomen que caracterisa l'heterogeneïtat de la superfície. Quan una pipeta injecta un líquit sobre un sòlit, el líquit formarà un àngul de contacte. Quan la pipeta injecta més líquit, la goteta aumentarà en volum, l'àngul de contacte s'incrementarà, pero el seu llímit trifásico permaneixerà estacionario fins que de sobte alvança cap a l'exterior. L'àngul de contacte que la goteta tenia immediatament abans d'alvançar cap a l'exterior es denomina l'àngul de contacte d'alvanç. L'àngul de contacte de reculada ara es medix per mig del bombeig del líquit de nou fòra de la goteta. La goteta disminuirà en el volum, l'àngul de contacte disminuïx, pero el seu llímit trifásico permaneixerà estacionario fins que de sobte s'allunta cap a l'interior. L'àngul de contacte que la goteta tenia immediatament abans de retrocedir cap a l'interior es denomina l'àngul de contacte de la reculada. La diferència entre l'alvanç i reculada dels ànguls de contacte es denomina histéresis de l'àngul de contacte i es pot utilisar per a caracterisar l'heterogeneïtat de la superfície, rugosidad, i movilitat. Les superfícies que no són homogénees tindran dominis que impedixen el moviment de la llínea de contacte. L'àngul d'esmonyida és una atra mida dinàmica de la hidrofobicidad i es medix per mig del depòsit d'una gota sobre una superfície i l'inclinament de la superfície fins que la gota comença a esgolar-se. Els líquits en l'estat Cassie-Baxter generalment presenten ànguls d'esmonyida inferior i l'àngul de contacte de histéresis que aquells en l'estat Wenzel.

Es pot utilisar un model simple per a predir l'eficàcia d'una superfície artificial feta per l'home tant micro o nano-fabricades pel seu estat condicional (wenzel o cassie-baxter), àngul de contacte i l'àngul de contacte de histéresis. El factor principal d'este model és la densitat de la llínea de contacte, Λ, que és el perímetro total de asperezas sobre una determinada unitat d'àrea.

La densitat de la llínea crítica de contacte Λ_c és una funció de les forces del cos i de la superfície, aixina com l'àrea proyectada de la goteta.

${\Lambda }_C=\frac{-\rho g{V}^{1/3}((\frac{1-cos({\theta }_a)}{sin({\theta }_a)})(3+(\frac{1-cos({\theta }_a)}{sin({\theta }_a)}{)}^2){)}^{2/3}}{(36\pi {)}^{1/3}\gamma cos({\theta }_{a,0}+w-90)}$

a on

ρ = densitat de la goteta de líquit

g = acceleració per la gravetat

V = volum de la goteta de líquit

θ_a = alvanç aparent de l'àngul de contacte

θ_a,0 = l'alvanç d'àngul de contacte d'un substrat pla

γ = la tensió superficial del líquit

w = àngul de la paret de la torre

Si Λ > Λ_c, les gotes se suspenen en l'estat Cassie-Baxter. De lo contrari, la gota es colapsarà en l'estat wenzel.

Per a calcular actualisat l'alvanç i reculada dels ànguls de contacte en l'estat de Cassie-Baxter, poden utilisar-se les següents equacions.

${\theta }_a={\lambda }_p({\theta }_{a,0}+w)+(1-{\lambda }_p){\theta }_{air}$

${\theta }_r={\lambda }_p{\theta }_{r,0}+(1-{\lambda }_p){\theta }_{air}$

també en l'estat wenzel:

${\theta }_a={\lambda }_p({\theta }_{a,0}+w)+(1-{\lambda }_p){\theta }_{a,0}$

${\theta }_r={\lambda }_p({\theta }_{r,0}-w)+(1-{\lambda }_p){\theta }_{r,0}$

a on

λ_p = fracció llineal de la llínea de contacte en les asperezas

θ_r,0 = reculada de l'àngul de contacte d'un substrat pla

θ_air = àngul de contacte entre el líquit i l'aire (típicament se supon que és 180°)

Eixemples en la naturalea

Molts materials molt hidrofòbics presents en la naturalea es basen en la llei de Cassie i són bifásicos a nivell submicrométrico. Els fins pèls d'algunes plantes són hidrofòbics i estan dissenyats per a aprofitar les propietats dissolvents de l'aigua per a atraure i eliminar la brutea que bloqueja la llum solar de les seues superfícies fotosintéticas. Inspirades en este efecte loto, s'han desenrollat moltes superfícies funcionals superhidrofóbicas.

Els sabaters són insectes que viuen sobre la película superficial de l'aigua, i els seus cossos són pràcticament impossibles de mullar per unes estructures pilosas especialisades cridades hidrófugas; moltes de les seues superfícies corporals estan cobertes per estes "piles de pèls" especialisades, compostes per diminuts pèls tan junts que existixen més de mil micropelos per mm, lo que crea una superfície hidrofòbica.Es coneixen superfícies hidrófugas similars en atres insectes, inclosos insectes aquàtics que passen la major part de la seua vida sumergits, els pèls hidrofòbics de la qual impedixen l'entrada d'aigua al seu sistema respiratori. També s'ha documentat que la superfície de la pell d'algunes espècies de fardachos, com els geckosi els dactiloidos,és altament hidrofòbica, lo que podria facilitar la autolimpiezao la respiració baix l'aigua.