Смачивающие переходы — это явления изменения характера смачивания твердой поверхностью жидкостью, обусловленные изменением условий, таких как температура, давление, химический состав поверхности, либо введение дополнительных фаз (например, газа или другого жидкого слоя). Они играют важную роль в физике поверхности и тонких пленок, влияя на процессы адгезии, роста тонких пленок, коррозии, и технологические процессы в микро- и наноэлектронике.
Смачивание — процесс, при котором жидкость распространяется по поверхности твердого тела, образуя контактный угол, характеризующий степень взаимодействия между жидкостью и твердой фазой.
Контактный угол θ — угол между касательной к поверхности капли жидкости и твердой поверхностью в линии тройного контакта жидкость–твердое тело–газ.
Гидрофобность — свойство поверхности отталкивать жидкость, сопровождающееся большим контактным углом (θ > 90∘).
Гидрофильность — способность поверхности активно смачиваться жидкостью, контактный угол θ < 90∘.
Смачивающие переходы связаны с резким изменением контактного угла и режима смачивания поверхности.
Для идеальной, гладкой и химически однородной поверхности контактный угол определяется уравнением Юнга:
γSG = γSL + γLGcos θ,
где
Это уравнение описывает равновесие сил на линии тройного контакта и служит основой для понимания смачивания.
Переход от частичного смачивания к полному
При изменении температуры, химического состава поверхности или состава жидкости контактный угол может уменьшаться до нуля, что означает переход к полному смачиванию (плоский слой жидкости распространяется по поверхности).
Гистерезис контактного угла и смачивающие переходы
При изменении условий смачивания наблюдается явление гистерезиса — разница между углом смачивания при увеличении и уменьшении объема капли. Это связано с неоднородностью поверхности, присутствием микрорельефа и различиями в локальной энергии взаимодействия.
Структурные смачивающие переходы
В случаях сложных покрытий, например, при наличии поверхностных пленок или адсорбированных слоев, переход сопровождается изменением структуры адсорбата и характером взаимодействия.
Смачивающие переходы могут быть вызваны:
Физико-химическими изменениями поверхности, например, адсорбцией или десорбцией молекул, сменой химического состава.
Температурными изменениями, влияющими на поверхностное натяжение жидкой и твердой фаз, а также на межфазные взаимодействия.
Изменением давления или состава газовой фазы, что может влиять на адсорбцию и конденсацию тонких слоев жидкости.
Внешними воздействиями, такими как электрическое поле (электросмачивание), ионизация поверхности, ультразвук.
Электросмачивание — изменение смачивающих свойств поверхности под действием электрического поля. Это явление позволяет изменять контактный угол и управлять смачивающими переходами без изменения химического состава поверхности.
Энергия взаимодействия на границе раздела фаз в этом случае корректируется следующим образом:
$$ \gamma_{SL}(V) = \gamma_{SL}(0) - \frac{1}{2} C V^2, $$
где C — удельная емкость двойного электрического слоя, V — приложенное напряжение.
В результате смачивающий угол изменяется по формуле:
$$ \cos \theta(V) = \cos \theta(0) + \frac{C V^2}{2 \gamma_{LG}}. $$
Этот эффект активно используется в микрофлюидике и технологиях создания адаптивных оптических и сенсорных устройств.
Реальные поверхности редко бывают идеальными и гладкими. Поверхностная шероховатость существенно влияет на смачиваемость.
cos θ* = rcos θ,
где r > 1 — коэффициент шероховатости.
cos θ* = fcos θ + (1 − f)cos θair,
где f — доля поверхности, контактирующей с жидкостью, cos θair = −1 для воздуха.
Эти модели объясняют устойчивость сверхгидрофобных и супергидрофильных состояний и резкие смачивающие переходы.
Смачивающий переход можно рассматривать как фазовый переход на поверхности, характеризующийся изменением свободной энергии системы.
Критерий перехода часто связывают с минимизацией энергии интерфейса:
ΔG = γSL + γLG − γSG.
Если ΔG < 0, жидкость полностью смачивает поверхность.
Вблизи перехода наблюдаются критические явления и аномалии параметров смачивания, такие как резкое падение контактного угла и изменение адсорбционных свойств.
Измерение контактного угла: основной и самый простой метод, позволяющий регистрировать изменения смачивания в зависимости от параметров.
Атомно-силовая микроскопия (AFM): позволяет исследовать микрорельеф и его влияние на смачивание.
Спектроскопия: изучение химического состава поверхности и адсорбированных слоев.
Электрохимические методы: анализ влияния электрического поля и ионной среды.
Управление смачиваемостью используется для создания самоочищающихся поверхностей, противообледенительных покрытий, антикоррозионных систем.
В микро- и нанотехнологиях смачивающие переходы контролируют процессы осаждения тонких пленок, формирование микрокапель и их движение.
В биомедицинских приложениях — регуляция взаимодействия жидкостей с биологическими поверхностями.
В энергетике — повышение эффективности процессов теплообмена, смачивания в топливных элементах.
Термочувствительные покрытия — поверхности с переходом гидрофильности при изменении температуры.
Сменные покрытия на основе полимеров — изменяют смачиваемость под воздействием света или электрического поля.
Смешанные жидкости и растворители — изменение состава меняет характер смачивания.
Смачивающий переход — резкое изменение режима смачивания, связанное с изменением контактного угла.
Контактный угол — главный параметр, определяющий степень смачивания.
Уравнение Юнга описывает равновесие сил на линии тройного контакта.
Механизмы переходов связаны с изменением поверхностных энергий и структурных особенностей интерфейсов.
Поверхностная шероховатость и гетерогенность играют ключевую роль в смачивающих переходах.
Электросмачивание позволяет управлять смачиванием с помощью внешнего электрического поля.
Смачивающие переходы — фундаментальное явление, широко применяемое в науке и технике.