néha a víz egyenletesen eloszlik, amikor eléri a felületet; néha apró cseppecskékké válik. Míg az emberek már ősidők óta észrevették ezeket a különbségeket, ezeknek a tulajdonságoknak a jobb megértése és az ellenőrzésük új módjai fontos új alkalmazásokat hozhatnak.
a víz iránti különleges affinitással rendelkező anyagok — amelyek átterjednek, maximalizálják az érintkezést — hidrofilként ismertek., Azok, amelyek természetesen taszítják a vizet, ami cseppeket képez, hidrofób néven ismertek. Mindkét anyagosztály jelentős hatással lehet az erőművek, az elektronika, a repülőgépszárnyak és a sótalanító üzemek teljesítményére, mondja Kripa Varanasi, az MIT Gépészmérnöki docense. A hidrofil és hidrofób felületek javulása olyan palackokat is biztosíthat, ahol a fűszer csak kisiklik, a soha nem ködös üvegek, vagy az erőművek, amelyek egy adott mennyiségű üzemanyagból több villamos energiát préselnek ki.,

fotó: Rong Xiao és Nenad Miljkovic

a hidrofil és hidrofób anyagokat a víz geometriája határozza meg egy sík felületen — konkrétan a csepp széle és az alatta lévő felület közötti szöget. Ezt az érintkezési szögnek nevezik.
Ha a csepp terjed, a felület nagy részét megnedvesíti, akkor az érintkezési szög kevesebb, mint 90 fok, és ezt a felületet hidrofilnek vagy vízszeretőnek tekintik (a víz, a víz és a szerelem, a philos görög szavaiból)., De ha a csepp olyan gömböt képez, amely alig érinti a felületszerű vízcseppeket egy forró rácson — az érintkezési szög több mint 90 fok, a felület hidrofób vagy vízfélő.
de a terminológia itt nem áll meg: a legtöbb hidrofób és hidrofil anyagra vonatkozó jelenlegi kutatás a szélsőséges esetekre összpontosít — nevezetesen a szuperhidrofób és a szuperhidrofil anyagokra. Bár ezeknek a kifejezéseknek a meghatározása kevésbé pontos, azokat a felületeket, ahol a szűk cseppek több mint 160 fokos érintkezési szöget képeznek, szuperhidrofóbnak tekintik., Ha a cseppek majdnem laposak, körülbelül 20 foknál kisebb érintkezési szöggel, a felület szuperhidrofil.
“sok esetben ez a szélsőséges viselkedés hasznos a mérnöki munkában” – mondja Evelyn Wang, az MIT Gépészmérnöki docense, aki szuperhidrofób anyagokra szakosodott. Például a sótalanító üzemekben vagy erőművekben a kondenzátorok felülete akkor működik a legjobban, ha szuperhidrofób, így a cseppek folyamatosan lecsúsznak, és helyettesíthetők újakkal., Ezzel szemben olyan alkalmazásokhoz, ahol a víz egy felületen áramlik, hogy megakadályozza a túlmelegedést, kívánatos egy szuperhidrofil anyag, amely biztosítja a víz és a felület közötti maximális érintkezést.

miért történnek ezek a jelenségek? Ez lényegében a felszíni kémia kérdése, amelyet a felhasznált anyagok jellemzői határoznak meg. A felület alakja felerősítheti a hatásokat is: például, ha egy anyag hidrofób, nanopaternák létrehozása a felületén cseppecskével növelheti az érintkezési területet, erősítve a hatást, így a felület szuperhidrofób., Hasonlóképpen, a hidrofil felület nanopatteringje szuperhidrofilvá teheti. (Vannak azonban kivételek, ahol a különleges mintázatok valójában megfordíthatják az anyag szokásos tulajdonságait.)
bonyolultabbá válik, amikor a dolgok mozognak — mint gyakran a valós helyzetekben. Például, amikor egy sima felület megdöntve van, a rajta lévő cseppek elkezdhetnek csúszni, torzítva alakjukat., Tehát a statikus érintkezési szögek mérésén túl a felület tulajdonságainak teljes megértése azt is megköveteli, hogy elemezzük, hogyan különböznek a mozgó (elülső) és a hátráló (hátsó) élek érintkezési szögei, amikor a felület ferde.
mivel a természeti világ tele van hidrofób és hidrofil felületekkel, a jelenség alapjait a tudósok legalább két évszázadon keresztül ismerték. Például a lótuszlevél egy jól ismert példa egy hidrofób anyagra, amely megvédi a vízlakó növényt attól, hogy vízzé váljon., Egyes fajok, mint például a stenocara bogár az Afrikai Namíb-Sivatag, össze mindkét tulajdonság: A rovar-vissza szárnyain hidrofil dudorok, hogy ösztönözze a páralecsapódás a köd; ezek körül hidrofób vályúk, amely összegyűjti a kapott cseppeket, majd tölcsér őket felé a bogár szája — lehetővé teszi, hogy túlélje a Föld egyik legszárazabb helyekre.
a hidrofób és hidrofil felületek iránti modern érdeklődés egyik területe az energiahatékonysághoz kapcsolódik., A szuperhidrofób felületek, amelyeket az MIT kutatói fejlesztettek ki, és máshol jobb hőátadást eredményezhetnek az erőmű kondenzátoraiban, növelve azok általános hatékonyságát. Az ilyen felületek növelhetik a sótalanító növények hatékonyságát is.,
Az új technológiák is hozzájárultak a területhez: a nanopattered felületek létrehozása, mindössze néhány milliárd méter átmérőjű dudorokkal vagy gerincekkel, lehetővé tette a vízfogó és víztelenítő anyagok új generációját; a mozgásban lévő felületek új, nagy felbontású képalkotása lehetővé tette az érintett folyamatok jobb megértését.
Az új technológiák által lehetővé tett kutatások lehetővé teszik, hogy egy-két évtizeddel ezelőtt elképzelhetetlen részletességgel megértsük és manipuláljuk ezeket a viselkedéseket., De néha az új módszerek megmutatják, hogy a tudósok milyen jól kitalálták a dolgokat régen: “csodálatos-mondja Varanasi -, hogy néhány dolgot, amelyet most érvényesíthetünk, egy évszázaddal ezelőtt megjósolták.”