ibland sprider vatten jämnt när den träffar en yta; ibland pärlor i små droppar. Medan människor har märkt dessa skillnader sedan urminnes tider, en bättre förståelse av dessa egenskaper, och nya sätt att kontrollera dem, kan ge viktiga nya tillämpningar.
Material med en speciell affinitet för vatten — de som sprider sig över, maximerar kontakten — kallas hydrofila., De som naturligt avvisar vatten, vilket orsakar droppar att bilda, är kända som hydrofoba. Båda klasserna av material kan ha en betydande inverkan på utförandet av kraftverk, Elektronik, flygplansvingar och avsaltningsanläggningar, bland annat teknik, säger Kripa Varanasi, docent i maskinteknik vid MIT. Förbättringar i hydrofila och hydrofoba ytor kan ge ketchupflaskor där konditionen bara glider ut, glasögon som aldrig dimma upp eller kraftverk som vrider mer el från en viss mängd bränsle.,

foto artighet av Rong Xiao och Nenad Miljkovic

hydrofila och hydrofoba material definieras av geometrin av vatten på en plan yta — specifikt vinkeln mellan en droppets kant och ytan under den. Detta kallas kontaktvinkeln.
om droppen sprider sig, väter ett stort område av ytan, är kontaktvinkeln mindre än 90 grader och den ytan anses vara hydrofil eller vattenälskande (från de grekiska orden för vatten, vatten och kärlek, philos)., Men om droppen bildar en sfär som knappt berör de ytliga vattendropparna på en varm grill — kontaktvinkeln är mer än 90 grader, och ytan är hydrofob eller vattenskrämmande.
men terminologin slutar inte där: den senaste forskningen om hydrofoba och hydrofila material är inriktad på extrema fall-nämligen superhydrofoba och superhydrofila material. Även om definitionerna av dessa termer är mindre exakta anses ytor där täta droppar bildar en kontaktvinkel på mer än 160 grader vara superhydrofoba., Om dropparna sprids ut nästan platt, med en kontaktvinkel på mindre än ca 20 grader, är ytan superhydrofil.
” i många fall är det det extrema beteendet som är användbart inom teknik”, säger Evelyn Wang, docent i maskinteknik vid MIT som specialiserat sig på superhydrofoba material. Till exempel fungerar kondensorns ytor i avsaltningsanläggningar eller kraftverk bäst när de är superhydrofoba, så droppar glider ständigt av och kan ersättas av nya., Omvänt, för applikationer där vatten strömmar över en yta för att hålla den från överhettning, är det önskvärt att ha ETT superhydrofilt material för att säkerställa maximal kontakt mellan vattnet och ytan.
Varför händer dessa fenomen? Det är i huvudsak en fråga om ytkemi, som bestäms av egenskaperna hos de material som används. Formen på en yta kan också förstärka effekterna: till exempel, om ett material är hydrofob, skapa nanopatterns på dess yta kan öka kontaktområdet med en droppe, förstärka effekten och göra ytan superhydrofob., På samma sätt kan nanopatterning av en hydrofil yta göra den superhydrofil. (Det finns dock undantag där speciella typer av mönster faktiskt kan vända ett materials vanliga egenskaper.)
det blir mer komplicerat när saker och ting rör sig — vilket ofta är fallet i verkliga situationer. Till exempel, när en plan yta lutas, kan några droppar på den börja glida och snedvrida deras former., Så bortom mätningar av statiska kontaktvinklar kräver en fullständig förståelse av en ytans egenskaper också analys av hur kontaktvinklarna vid dess framåtgående (främre) och avtagande (bakre) kanter skiljer sig åt när ytan är snedställd.
eftersom den naturliga världen är full av hydrofoba och hydrofila ytor har grunderna i fenomenet varit kända av forskare i minst två århundraden. Lotusbladet är till exempel ett välkänt exempel på ett hydrofobt material som skyddar vattenbostadsanläggningen från att bli vattenloggad., Vissa arter, som stenocara beetle of Africa ’ s Namib Desert, kombinerar båda egenskaperna: insektens rygg och vingar har hydrofila stötar som uppmuntrar kondensation från dimma.dessa är omgivna av hydrofoba tråg, som samlar de resulterande dropparna och trattar dem mot skalbaggens mun — så att den kan överleva på en av jordens torraste ställen.
ett område av modernt intresse för hydrofoba och hydrofila ytor har att göra med energieffektivitet., Superhydrofoba ytor under utveckling av forskare vid MIT och på andra håll kan leda till bättre värmeöverföring i kraftverkskondensorer, vilket ökar deras totala effektivitet. Sådana ytor kan också öka effektiviteten hos avsaltningsanläggningar.,
ny teknik har också bidragit till området: förmågan att skapa nanopatternerade ytor, med stötar eller åsar bara några miljarder meter över, har möjliggjort en ny generation av vatten-gripande och vatten-shedding material; nya högupplösta avbildning av ytor i rörelse har möjliggjort bättre förståelse för de processer som är inblandade.
forskning som möjliggörs av ny teknik gör det möjligt att förstå och manipulera dessa beteenden på en detaljnivå otänkbar för ett decennium eller två sedan., Men ibland visar de nya metoderna hur bra forskare hade saker räknat ut för länge sedan: ”det är fantastiskt”, säger Varanasi ,” att några av de saker vi kan validera nu förutspåddes för ett sekel sedan.”