nogle gange er vandet spreder sig jævnt, når det rammer en overflade, nogle gange er det perler i bittesmå dråber. Mens folk har bemærket disse forskelle siden oldtiden, en bedre forståelse af disse egenskaber, og nye måder at kontrollere dem, kan bringe vigtige nye applikationer.
materialer med en særlig affinitet til vand — dem, det spreder sig over, maksimerer kontakt — er kendt som hydrofile., De, der naturligt afviser vand, hvilket får dråber til at danne, er kendt som hydrofobe. Begge typer af materialer kan have en betydelig indvirkning på ydeevnen af kraftværker, elektronik, flyvinger og afsaltningsanlæg, blandt andre teknologier, siger Kripa Varanasi, lektor ved institut for maskinteknik på MIT. Forbedringer i hydrofile og hydrofobe overflader kan give ketchup flasker, hvor krydderi bare glider lige ud, briller, der aldrig dugger, eller kraftværker at vride mere elektricitet fra en given mængde brændstof.,

Foto venligst udlånt af Rong Xiao og Nenad Miljkovic

Hydrofile og hydrofobe materialer, der er defineret af geometri vand på en flad overflade — specielt, vinklen mellem dråben kant og overflade nedenunder. Dette kaldes kontaktvinklen.
hvis dråben spreder sig og befugter et stort område af overfladen, er kontaktvinklen mindre end 90 grader, og den overflade betragtes som hydrofil eller vandelskende (fra de græske ord for vand, hydro og kærlighed, philos)., Men hvis dråben danner en kugle, der næppe berører de overfladelignende dråber vand på en varm bageplade-er kontaktvinklen mere end 90 grader, og overfladen er hydrofob eller vandfrygtig.
men terminologien stopper ikke der: de fleste aktuelle undersøgelser af hydrofobe og hydrofile materialer er fokuseret på ekstreme tilfælde — nemlig superhydrofobe og superhydrofile materialer. Selvom definitionerne af disse udtryk er mindre præcise, betragtes overflader, hvor stramme dråber danner en kontaktvinkel på mere end 160 grader, som superhydrofobe., Hvis dråberne spredes næsten fladt, med en kontaktvinkel på mindre end omkring 20 grader, er overfladen superhydrofil.
“i mange tilfælde er det den ekstreme opførsel, der er nyttig inden for teknik,” siger Evelyn .ang, lektor i maskinteknik ved MIT, der er specialiseret i superhydrofobe materialer. For eksempel fungerer kondensatorernes overflader i afsaltningsanlæg eller kraftværker bedst, når de er superhydrofobe, så dråber glider konstant af og kan erstattes af nye., Omvendt, for applikationer, hvor vand strømmer over en overflade for at forhindre overophedning, er det ønskeligt at have et superhydrofilt materiale for at sikre maksimal kontakt mellem vandet og overfladen.

Hvorfor sker disse fænomener? Det er i det væsentlige et spørgsmål om overfladekemi, som bestemmes af egenskaberne ved de anvendte materialer. Formen på en overflade kan også forstærke virkningerne: For eksempel, hvis et materiale er hydrofobt, kan skabelse af nanopatterner på dens overflade øge kontaktområdet med en dråbe, forstærke effekten og gøre overfladen superhydrofob., Tilsvarende kan nanopatterning af en hydrofil overflade gøre det superhydrofilt. (Der er dog undtagelser, hvor særlige former for mønstring faktisk kan vende et materiales almindelige egenskaber.)
det bliver mere kompliceret, når tingene bevæger sig — som det ofte er tilfældet i situationer i den virkelige verden. For eksempel, når en flad overflade vippes, kan dråber på den begynde at glide og forvrænge deres former., Så ud over målinger af statiske kontaktvinkler kræver en fuldstændig forståelse af en overflades egenskaber også analyse af, hvordan kontaktvinklerne ved dens fremadgående (forreste) og tilbagegående (bagerste) kanter adskiller sig, når overfladen er skrå.
fordi den naturlige verden er fuld af hydrofobe og hydrofile overflader, har fænomenets grundlæggende været kendt af forskere i mindst to århundreder. For eksempel er lotusbladet et velkendt eksempel på et hydrofobt materiale, der beskytter den vandbeboende plante mod at blive vandtæt., Nogle arter, såsom stenocara bille af Afrikas Namib Ørkenen, der kombinerer begge egenskaber: insekt ryg og vinger er hydrofil bump, der tilskynder til kondensvand fra fog; disse er omgivet af hydrofobe dale, der indsamler de resulterende dråber og kanalisere dem i retning af det beetle mund — hvilket tillader den at overleve i et af Jordens tørreste steder.
Et område af moderne interesse i hydrofobe og hydrofile overflader har at gøre med energieffektivitet., Superhydrofobe overflader under udvikling af forskere ved MIT og andre steder kan føre til bedre varmeoverførsel i kraftværkskondensatorer, hvilket øger deres samlede effektivitet. Sådanne overflader kan også øge effektiviteten af afsaltningsanlæg.,
de Nye teknologier har også bidraget til feltet: evnen til at skabe nanopatterned overflader, med knopper eller riller blot et par milliardtedel af en meter på tværs, har aktiveret en ny generation af vand-sensationsprægede og vand-kaste materialer; ny high-resolution imaging af overflader i bevægelse har gjort det muligt bedre forståelse af de processer, der er involveret.
Forskning aktiveret af nye teknologier gør det muligt at forstå og manipulere disse adfærd på et detaljeringsniveau, der ikke kan tænkes for et årti eller to siden., Men nogle gange viser de nye metoder, hvor godt forskere havde regnet ud for længe siden: “det er forbløffende,” siger Varanasi, “at nogle af de ting, vi kan validere nu, blev forudsagt for et århundrede siden.”