Смачивание и контактные углы

Смачивание — это физико-химическое явление, характеризующееся взаимодействием жидкости с твердой поверхностью, приводящее к образованию определенной конфигурации капли на поверхности. Центральной величиной, описывающей смачивание, является контактный угол θ между жидкостью и твердой фазой. Контактный угол определяется углом, который образует касательная к поверхности капли в точке контакта с твердой поверхностью относительно этой поверхности.

Если жидкость полностью растекается по поверхности, контактный угол близок к 0∘ (полное смачивание). Если жидкость не растекается и сохраняет каплеобразную форму, контактный угол больше 90∘ (несмачивание).

Механизм формирования контактного угла

Контактный угол формируется в результате баланса сил поверхностного натяжения на границе раздела трех фаз: жидкость–твердое тело–газ. Основное уравнение, описывающее этот баланс, — уравнение Юнга:

γSG = γSL + γLGcos θ

где:

  • γSG — поверхностное натяжение твердой поверхности относительно газа;
  • γSL — поверхностное натяжение твердой поверхности относительно жидкости;
  • γLG — поверхностное натяжение жидкости (жидкость–газ);
  • θ — контактный угол.

Из этого уравнения следует, что контактный угол зависит от природы жидкости и твердой поверхности, а также от взаимодействий на молекулярном уровне.

Ключевой момент: уменьшение γSL или увеличение γSG способствует уменьшению контактного угла, усиливая смачивание.

Классификация смачивания

  1. Полное смачивание (θ ≈ 0∘) Жидкость полностью покрывает поверхность. Примеры: вода на гидрофильной стеклянной поверхности.

  2. Частичное смачивание (0∘ < θ < 90∘) Капля сохраняет форму, но растекается. Примеры: вода на чистом металле.

  3. Несмачивание (θ > 90∘) Капля практически не растекается. Примеры: вода на парафине, тефлоне.

Факторы, влияющие на контактный угол

  1. Химическая природа поверхности Гидрофильные поверхности уменьшают контактный угол; гидрофобные — увеличивают.

  2. Микрорельеф и шероховатость поверхности По модели Веткина (Wenzel) контактный угол на шероховатой поверхности θ* связан с идеальным углом θ через коэффициент шероховатости r:

    cos θ* = rcos θ

    Здесь r > 1. Шероховатость усиливает гидрофильные и гидрофобные свойства.

  3. Химическая гетерогенность поверхности По модели Кассі-Бекса (Cassie–Baxter):

    cos θ* = f1cos θ1 + f2cos θ2

    где f1 и f2 — доли различных участков поверхности.

  4. Температура и влажность Повышение температуры жидкости обычно снижает её поверхностное натяжение, уменьшая контактный угол.

  5. Энергия адсорбции и химические взаимодействия Сильные адсорбционные взаимодействия между молекулами жидкости и твердой поверхностью способствуют полному смачиванию.

Динамика смачивания

Смачивание — это не только статическая величина, но и процесс. Динамический контактный угол изменяется во времени, когда жидкость распространяется по поверхности. Динамика смачивания описывается уравнением:

v = K(cos θe − cos θd)

где:

  • v — скорость движения линии контакта;
  • θe — равновесный контактный угол;
  • θd — динамический контактный угол;
  • K — коэффициент, зависящий от вязкости жидкости и взаимодействий с поверхностью.

Ключевой момент: чем выше дисбаланс (cos θe − cos θd), тем быстрее распространяется жидкость по поверхности.

Явления, связанные с смачиванием

  1. Капиллярное поднятие и опускание жидкости Жидкость поднимается в тонких капиллярах, если поверхность смачивается (θ < 90∘), и опускается при несмачивании (θ > 90∘).

  2. Распределение адсорбированных слоев На смачивающих поверхностях формируются тонкие предкапиллярные слои жидкости, которые влияют на скорость и равновесие смачивания.

  3. Супергидрофобные и суперводоотталкивающие поверхности Комбинация микрошероховатости и низкой энергии поверхности может привести к контактному углу >150° и эффекту «лотосового листа».

Методы измерения контактного угла

  1. Оптический метод (капля на плоской поверхности) Измеряется угол между касательной к капле и поверхностью с помощью микроскопа или камеры.

  2. Метод качающегося капельного объема Наблюдается изменение формы капли при увеличении или уменьшении объема.

  3. Метод силы смачивания (Wilhelmy plate) Измеряется сила, с которой жидкость тянет пластинку, погруженную в жидкость, что позволяет вычислить θ.

Роль смачивания в физике мягкой материи

Смачивание играет ключевую роль в коллоидных системах, пенах, гелях и капиллярных жидкостях. Контактные углы определяют:

  • распределение жидкости в пористых материалах;
  • устойчивость пенообразующих и эмульсионных структур;
  • формирование наноструктурированных покрытий и самоорганизующихся слоев;
  • транспорт веществ в микро- и нанокапиллярах.

Ключевой момент: точное управление смачиванием и контактными углами позволяет создавать функциональные материалы с заданными гидрофильными и гидрофобными свойствами.

Оглавление