czasami woda rozprzestrzenia się równomiernie, gdy uderza w powierzchnię; czasami koraliki w drobne kropelki. Podczas gdy ludzie odnotowywali te răłĺľnice Juĺľ od staroĺľytnych czasĂłw, lepsze zrozumienie tych wĹ ' aĹ „ciwoĹ” ci i nowe sposoby ich kontrolowania, moĹĽe przynieĺ ” Ä ‡ istotne nowe zastosowania.
materiały o szczególnym powinowactwie do wody – te, po których się rozprowadza, maksymalizując kontakt-są znane jako hydrofilowe., Te, które naturalnie odpychają wodę, powodując powstawanie kropelek, są znane jako hydrofobowe. Obie klasy materiałów mogą mieć znaczący wpływ na wydajność elektrowni, elektroniki, skrzydeł samolotów i zakładów odsalania, wśród innych technologii, mówi Kripa Varanasi, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej na MIT. Ulepszenia w hydrofilowych i hydrofobowych powierzchniach mogą zapewnić butelki keczupu, w których przyprawa po prostu ślizga się, szklanki, które nigdy nie zaparowują, lub elektrownie, które wykręcają więcej energii elektrycznej z danej ilości paliwa.,

Zdjęcie dzięki uprzejmości Rong Xiao i Nenad Miljkovic

materiały hydrofilowe i hydrofobowe są definiowane przez geometrię wody na płaskiej powierzchni — konkretnie, kąt między krawędzią kropli a powierzchnią pod nią. Jest to tzw. kąt styku.
jeśli kropla rozprzestrzenia się, zwilżając duży obszar powierzchni, to kąt kontaktu jest mniejszy niż 90 stopni i ta powierzchnia jest uważana za hydrofilową lub kochającą wodę (od greckich słów woda, hydro i miłość, philos)., Ale jeśli kropla tworzy kulę, która ledwo dotyka powierzchni – jak krople wody na gorącej patelni – kąt kontaktu jest większy niż 90 stopni, a powierzchnia jest hydrofobowa lub obawiająca się wody.
ale terminologia nie kończy się na tym: większość aktualnych badań nad materiałami hydrofobowymi i hydrofilowymi koncentruje się na ekstremalnych przypadkach — a mianowicie na materiałach superhydrofobowych i superhydrofilowych. Chociaż definicje tych terminów są mniej precyzyjne, powierzchnie, w których ciasne krople tworzą kąt kontaktu większy niż 160 stopni, są uważane za superhydrofobowe., Jeśli krople są rozłożone prawie płasko, o kącie kontaktu mniejszym niż około 20 stopni, powierzchnia jest superhydrofilowa.
„w wielu przypadkach to ekstremalne zachowanie jest przydatne w inżynierii”, mówi Evelyn Wang, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej na MIT, który specjalizuje się w materiałach superhydrofobowych. Na przykład powierzchnie skraplaczy w zakładach odsalania lub elektrowniach działają najlepiej, gdy są superhydrofobowe, więc krople stale się ślizgają i mogą być zastąpione nowymi., I odwrotnie, w zastosowaniach, w których woda przepływa przez powierzchnię, aby zapobiec jej przegrzaniu, pożądane jest posiadanie materiału superhydrofilowego, aby zapewnić maksymalny kontakt między wodą a powierzchnią.

dlaczego takie zjawiska się zdarzają? Jest to zasadniczo kwestia chemii powierzchni, która zależy od właściwości użytych materiałów. Kształt powierzchni może również wzmacniać efekty: na przykład, jeśli materiał jest hydrofobowy, tworzenie nanopatternów na jego powierzchni może zwiększyć obszar kontaktu z kropelką, wzmacniając efekt i czyniąc powierzchnię superhydrofobową., Podobnie nanopatterning powierzchni hydrofilowej może uczynić ją superhydrofilową. (Istnieją jednak wyjątki, gdzie specjalne rodzaje wzorów mogą faktycznie odwrócić zwykłe właściwości materiału.)
komplikuje się to, gdy sprawy się poruszają — jak to często bywa w realnych sytuacjach. Na przykład, gdy płaska powierzchnia jest przechylona, wszelkie krople na niej mogą zacząć się przesuwać, zniekształcając ich kształty., Tak więc poza pomiarami statycznych kątów styku, pełne zrozumienie właściwości powierzchni wymaga również analizy tego, jak kąty styku na jej wysuniętych (przednich) i cofniętych (tylnych) krawędziach różnią się, gdy powierzchnia jest nachylona.
ponieważ świat przyrody jest pełen powierzchni hydrofobowych i hydrofilowych, podstawy tego zjawiska są znane przez naukowców od co najmniej dwóch stuleci. Na przykład liść lotosu jest znanym przykładem materiału hydrofobowego, chroniącego roślinę mieszkającą w wodzie przed podmoknięciem., Niektóre gatunki, takie jak chrząszcz stenocara z afrykańskiej pustyni Namib, łączą obie cechy: grzbiet i skrzydła owada mają hydrofilowe guzki, które zachęcają do kondensacji z mgły; są one otoczone hydrofobowymi korytami, które zbierają powstałe krople i leją je w kierunku pyska chrząszcza-pozwalając mu przetrwać w jednym z najsuchszych miejsc na Ziemi.
jeden z obszarów współczesnego zainteresowania powierzchniami hydrofobowymi i hydrofilowymi ma związek z efektywnością energetyczną., Superhydrofobowe powierzchnie opracowywane przez naukowców z MIT i gdzie indziej mogą prowadzić do lepszego przenoszenia ciepła w skraplaczach elektrowni, zwiększając ich ogólną wydajność. Takie powierzchnie mogłyby również zwiększyć wydajność zakładów odsalania.,
Nowe technologie również przyczyniły się do tej dziedziny: możliwość tworzenia nanopowłokowych powierzchni, z wybojami lub grzbietami o średnicy zaledwie kilku miliardowych części metra, umożliwiła nową generację materiałów chwytających wodę i zrzucających wodę; nowe obrazowanie powierzchni w ruchu w wysokiej rozdzielczości umożliwiło lepsze zrozumienie procesów zachodzących w tym procesie.
badania prowadzone przez nowe technologie pozwalają zrozumieć i manipulować tymi zachowaniami na poziomie szczegółowości nie do pomyślenia dekadę czy dwie lata temu., Ale czasami nowe metody pokazują, jak dobrze naukowcy mieli rzeczy zorientowane dawno temu:” to niesamowite, „mówi Varanasi,” że niektóre z rzeczy, które możemy potwierdzić teraz były przewidywane sto lat temu.”