soms verspreidt water zich gelijkmatig wanneer het een oppervlak raakt; soms kralen het in kleine druppeltjes. Hoewel mensen deze verschillen al sinds de oudheid hebben opgemerkt, kan een beter begrip van deze eigenschappen, en nieuwe manieren om ze te beheersen, belangrijke nieuwe toepassingen opleveren.
materialen met een speciale affiniteit voor water — die het verspreidt over, het maximaliseren van contact — staan bekend als hydrofiel., Degenen die van nature water afstoten, waardoor druppeltjes ontstaan, staan bekend als hydrofoob. Beide klassen van materialen kunnen een aanzienlijke impact hebben op de prestaties van energiecentrales, elektronica, vliegtuigvleugels en ontziltingsinstallaties, onder andere technologieën, zegt Kripa Varanasi, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. Verbeteringen in hydrofiele en hydrofobe oppervlakken kunnen ketchupflessen bieden waar de specerij gewoon naar buiten glijdt, glazen die nooit beslaan, of energiecentrales die meer elektriciteit uit een bepaalde hoeveelheid brandstof wringen.,

Foto Met dank aan Rong Xiao en Nenad Miljkovic

hydrofiele en hydrofobe materialen worden gedefinieerd door de geometrie van water op een vlak oppervlak — in het bijzonder de hoek tussen de rand van een druppel en het oppervlak eronder. Dit wordt de contacthoek genoemd.
als de druppel zich verspreidt en een groot oppervlak van het oppervlak bevochtigt, dan is de contacthoek minder dan 90 graden en dat oppervlak wordt beschouwd als hydrofiel, of waterminnend (van de Griekse woorden voor water, hydro, en liefde, philos)., Maar als de druppel vormt een bol die nauwelijks raakt het oppervlak-achtige druppels water op een hete bakplaat — de contacthoek is meer dan 90 graden, en het oppervlak is hydrofoob, of water-vrezend.
maar de terminologie stopt daar niet: het meest recente onderzoek naar hydrofobe en hydrofiele materialen is gericht op extreme gevallen — namelijk, superhydrofobe en superhydrofiele materialen. Hoewel de definities van deze termen minder nauwkeurig zijn, worden oppervlakken waar strakke druppels een contacthoek van meer dan 160 graden vormen als superhydrofoob beschouwd., Als de druppels bijna vlak zijn uitgespreid, met een contacthoek van minder dan ongeveer 20 graden, is het oppervlak superhydrofiel.”in veel gevallen is het extreme gedrag nuttig in engineering”, zegt Evelyn Wang, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT, gespecialiseerd in superhydrofobe materialen. Bijvoorbeeld, de oppervlakken van condensors in ontziltingsinstallaties of energiecentrales werken het beste wanneer ze superhydrofoob zijn, zodat druppels voortdurend af glijden en kunnen worden vervangen door nieuwe., Omgekeerd, voor toepassingen waar water over een oppervlak stroomt om oververhitting te voorkomen, is het wenselijk om een superhydrofiel materiaal te hebben, om maximaal contact tussen het water en het oppervlak te verzekeren.waarom gebeuren deze verschijnselen? Het is in wezen een kwestie van Oppervlaktechemie, die wordt bepaald door de kenmerken van de gebruikte materialen. De vorm van een oppervlak kan ook de effecten versterken: bijvoorbeeld, als een materiaal hydrofoob is, kan het creëren van nanopatterns op zijn oppervlak het contactgebied met een druppel verhogen, het effect versterken en het oppervlak superhydrofoob maken., Op dezelfde manier kan nanopatterning van een hydrofiele oppervlakte het superhydrofiele maken. (Er zijn uitzonderingen, echter, waar speciale vormen van patroon kan eigenlijk omgekeerde gewone eigenschappen van een materiaal.)
Het wordt ingewikkelder als dingen in beweging zijn-zoals vaak het geval is in reële situaties. Bijvoorbeeld, wanneer een vlak oppervlak wordt gekanteld, kunnen druppels op het beginnen te glijden, vervormen hun vormen., Dus naast metingen van statische contacthoeken, vereist een volledig begrip van de eigenschappen van een oppervlak ook een analyse van hoe de contacthoeken bij de voortschrijdende (voor) en terugwijkende (achter) randen verschillen wanneer het oppervlak schuin is. omdat de natuurlijke wereld vol is met hydrofobe en hydrofiele oppervlakken, zijn de basisprincipes van het fenomeen al minstens twee eeuwen bekend bij wetenschappers. Het lotusblad is bijvoorbeeld een bekend voorbeeld van een hydrofoob materiaal dat de waterbewonende plant beschermt tegen wateroverlast., Sommige soorten, zoals de stenocara kever uit de Afrikaanse Namib-woestijn, combineren beide eigenschappen: de rug en vleugels van het insect hebben hydrofiele hobbels die condensatie van mist aanmoedigen; deze zijn omgeven door hydrofobe troggen, die de resulterende druppels verzamelen en trechter ze naar de mond van de kever — waardoor het kan overleven op een van de droogste plaatsen op aarde.Eén gebied van moderne interesse in hydrofobe en hydrofiele oppervlakken heeft te maken met energie-efficiëntie., Superhydrofobe oppervlakken in ontwikkeling door onderzoekers aan het MIT en elders kunnen leiden tot een betere warmteoverdracht in condensors van krachtcentrales, waardoor hun algehele efficiëntie toeneemt. Dergelijke oppervlakken kunnen ook de efficiëntie van ontziltingsinstallaties verhogen.,
nieuwe technologieën hebben ook bijgedragen aan het veld: de mogelijkheid om nanopatterne oppervlakken te creëren, met hobbels of richels van slechts een paar miljardsten van een meter in doorsnede, heeft een nieuwe generatie water grijpende en waterafstotende materialen mogelijk gemaakt; nieuwe beeldvorming met hoge resolutie van bewegende oppervlakken heeft een beter begrip van de betrokken processen mogelijk gemaakt.onderzoek dat door nieuwe technologieën mogelijk wordt gemaakt, maakt het mogelijk om dit gedrag te begrijpen en te manipuleren op een detailniveau dat tien jaar of twee geleden ondenkbaar was., Maar soms laten de nieuwe methoden zien hoe goed wetenschappers dingen al lang geleden hadden bedacht:” het is verbazingwekkend, “zegt Varanasi,” dat sommige van de dingen die we nu kunnen valideren, een eeuw geleden zijn voorspeld.”