Смачивание наноструктур

Взаимодействие жидкостей с наноструктурированными поверхностями

Смачивание — процесс распределения жидкости на твердой поверхности, определяется балансом межфазных сил между жидкостью, твердой поверхностью и газовой фазой. На наноразмерном уровне особенности смачивания существенно меняются из-за высокой поверхности и влияния наноструктур.

Основные параметры смачивания

  • Угол смачивания (θ) — угол между касательной к капле и твердой поверхностью в линии контакта.

  • Энергия поверхностного натяжения жидкости и твердой фазы.

  • В классическом случае описывается уравнением Ява, связывающим угол смачивания с поверхностными энергиями:

    $$ \cos \theta = \frac{\gamma_{SG} - \gamma_{SL}}{\gamma_{LG}} $$

    где γSG, γSL, γLG — поверхностные энергии твердой-фазовой, твердой-жидкой и жидкой-газовой границ соответственно.

Влияние наноструктур на смачивание

Нанорельеф поверхности приводит к существенному изменению угла смачивания и формированию эффектов сверхгидрофобности или сверхгидрофильности.

  • Модель Ветриха учитывает влияние шероховатости, показывая, что угол смачивания может увеличиваться (для гидрофобных поверхностей) или уменьшаться (для гидрофильных).
  • Модель Кассиса-Баксера описывает ситуацию, когда жидкость находится частично на поверхности и частично на воздухе, создавая эффект «воздушной подушки» и увеличивая гидрофобность.

Технологии создания наноструктурированных поверхностей

  • Литография и самосборка наночастиц для формирования рельефа.
  • Нанопокрытия из функционализированных молекул, изменяющих энергию поверхности.
  • Использование химической и плазменной обработки для изменения топографии и химических свойств.

Практическое значение и применение

  • Сверхгидрофобные поверхности применяются в самоочищающихся покрытиях, антикоррозионных материалах.
  • Наноструктуры обеспечивают контролируемое смачивание в биомедицинских устройствах, микрофлюидики.
  • Регулировка угла смачивания влияет на адгезию и капиллярные эффекты в наносистемах.

Методы исследования смачивания на наномасштабе

  • Контактная угловая гониометрия — измерение угла смачивания капель.
  • Атомно-силовая микроскопия (AFM) — изучение топографии и взаимодействия жидкость–поверхность.
  • Поверхностный спектроскопический анализ — определение химического состава и энергии поверхности.

Таким образом, магнитные свойства металлических наночастиц и процессы смачивания наноструктур играют ключевую роль в развитии нанофизики, открывая пути для создания новых материалов с заданными функциональными свойствами.

Оглавление