Известная поговорка «как с гуся вода» своим происхождением обязана способности гусиных перьев очень хорошо отталкивать воду – проще говоря, совершенно не смачиваться. А вот поговорки «как с гуся керосин» или, скажем, «как с гуся изопропанол» нет – и вовсе не потому, что на Руси прежде не было керосина или поливание гусей изопропанолом было чем-то запретным.
Всякая поверхность, жидкая или твердая, характеризуется определенной избыточной энергией. Все твердые тела и жидкости состоят из атомов или молекул, которые активно взаимодействуют друг с другом, образуя различной силы связи. Находясь внутри объёма тела или жидкости, молекулы взаимодействуют по всем направлениям, а вот если молекула оказывается на поверхности, она может образовать только половину тех связей, что образовывала в объеме – другую половину ей просто-напросто не с кем образовывать.
В результате поверхностные молекулы по сравнению с молекулами объёма имеют избыток внутренней энергии, не имея возможности потратить её на образование связей. Совокупность такой избыточной энергии всех молекул поверхности – и есть избыточная поверхностная энергия.
Энергия в молекулярном мире, да и в физике вообще, – это как деньги в мире людей, только наоборот. Все частицы стремятся от лишней энергии по возможности избавиться, совершив какую-нибудь работу (этим молекулы также отличаются от людей). Например, поверхностные молекулы всегда стремятся снова попасть внутрь объема и как бы давят на внутренние молекулы, а те, в свою очередь сопротивляются, так как не хотят оказаться на поверхности. Так у жидкостей возникает хорошо знакомое всем поверхностное натяжение. Есть оно и у твердых тел, но здесь его наблюдать сложнее.
По той же причине капля воды имеет сферическую форму – при такой форме поверхность капли минимальна, а следовательно минимально и количество поверхностных молекул с избыточной внутренней энергией.
Однако все меняется, когда такая капля попадает на поверхность твердого тела. Например, если поместить каплю воды на отполированную металлическую пластинку, она мгновенно растечется небольшой лужицей. В то же время, падая на ту же самую тефлоновую сковородку, она так и остаётся шариком, лишь слегка сплюснутым силами гравитации и реакции опоры.
И тот же керосин с гуся, как с гуся вода, сходить не будет. Об этом хорошо знают экологи, каждый год сотнями отправляющие добровольцев отмывать морских птиц от последствий аварии очередного танкера с нефтепродуктами.
Благодаря работе американских химиков, результаты которой опубликованы в последнем номере Proceedings of the National Academy of Sciences, может появиться целая россыпь новых метафор – «как с текстуры вода», «как с текстуры керосин, бензин, гексан, изопропанол» и всё, что только захочешь. Гаррет Маккинли из Массачусетского технологического института и его коллеги
создали сверхтонкую сеть хитро переплетённых полимерных волокон, которую можно будет нанести на любую поверхность, сделав её несмачиваемой для любой жидкости.
В перспективе наносить текстуру, препятствующую смачиванию, можно будет и на стенки топливных баков ракетных двигателей, использующих для работы агрессивные химические компоненты, и на одежду, которую будет тяжело испачкать и легко отстирать. Ну а для демонстрации своего метода – поскольку от гусиных сравнений в такой работе, видимо, никуда не деться – учёные покрыли микроскопической полимерной сетью перо этого самого гуся, сделав его несмачиваемым таким лёгким углеводородом, как пентан.
Чтобы разобраться, откуда такая несправедливость, придётся понять, почему вообще поверхности бывают смачиваемыми и несмачиваемыми той или иной жидкостью.
Определяют, будет поверхность смачиваемой определённой жидкостью или нет, две величины – энергия взаимодействия молекул жидкости с твердым телом и энергия их взаимодействия друг с другом. Если связь молекул жидкости и твёрдого тела сильнее, капле оказывается выгодно растечься по поверхности: количество молекул жидкости на поверхности существенно возрастает, однако на формирование связей они отдают больше энергии, чем та, что появляется на всё увеличивающейся границе. Если же сильнее внутренние связи, капле энергетически выгоднее оставаться компактной.
Именно поэтому так сложно сделать лиофобную ёмкость для топлива или растворителей – энергия взаимодействия легких молекул углеводородов и спиртов и так ничтожна, и создать материал, с которым это взаимодействие будет ещё слабее, практически невозможно. Потому попадая на любую поверхность, эти жидкости почти гарантированно её смачивают. Даже модифицируя поверхность полимерами (тем же тефлоном), обладающими крайне низкой поверхностной энергией, ученым и инженерам далеко не всегда удается добиться низкого смачивания.
Однако надежды на создание абсолютно лиофобных поверхностей, одинаково хорошо сопротивляющихся смачиванию и полярными жидкостям, и легкими углеводородами, остаются.
Секретом успеха оказалось придание поверхности определенной текстуры – узора выемок и бугорков.
Смысл этой самой текстуры далеко не так очевиден, как может показаться на первый взгляд. Помимо энергетических, в смачивании и несмачивании играет роль и ряд геометрических эффектов, связанных с действием капиллярных сил. Именно по причине таких геометрических эффектов мениск поверхности столба жидкости, поднявшейся в тонком капилляре, всегда вогнутый. Геометрические эффекты описываются с помощью краевого угла смачивания, который определяет не только форму капли на поверхности, но и направление капиллярных сил.
Именно этот геометрический аспект и использовали американские ученые для создания поверхностей, которым уже успели дать новое название – омнифобные (всеотталкивающие). Процедура состоит в том, чтобы создать такие условия, при которых капиллярные силы просто-напросто не позволят жидкости полностью смочить поверхность. Для этого необходимо создать так называемую текстуру с входящими углами.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 3,
"picsrc": "Трапециевидная текстура с входящим углом ψ, большим, чем угол смачивания θ, приводит к тому, что жидкость, не полностью смочившая поверхность под действием капиллярной силы F, неизбежно смочит её полностью. Если же входящий угол ψ сделать меньше краевого угла смачивания θ, то капиллярные силы F будут направлены в противоположном от поверхности направлении, что сохранит в текстуре небольшие островки воздуха под слоем жидкости. В результате смачивание и несмачивание будет определяться уже на трехфазной границе между жидкостью и поверхностью с переменной поверхностной энергией, образованной участками твердого тела, перемежаемыми воздушными островками. // National Academy of Sciences",
"repl": "<3>:{{incut3()}}",
"uid": "_uid_2879369_i_3"
}
Отработав свою методику создания омнифобных поверхностей на обычных кремниевых пластинах, структурированных стандартными методами микроэлектроники, учёные создали самое интересное –
покрытия, которые можно нанести на практически любой материал, смачиваемость которого нужно свести к минимуму.
Поверхностная текстура в этом случае получается с помощью нитей полимера полиметилметакрилата, заплетенных в сложную структуру методом электростатического скручивания. К этим нитям ученые добавили молекулы-многогранники фторированных органических соединений – силсесквиоксанов. Благодаря сочетанию размера многогранников и обилию перфторированных концевых углеродных групп в этих молекулах, поверхностная энергия такого покрытия оказывается очень низкой. Текстуру же их формирует структура переплетения нитей, которой также можно управлять при синтезе.
Смесью волокон полиметилметакрилата и силсесквиоксановых молекул можно покрывать любые поверхности, делая их омнифобными.
Правда, морским птицам это не поможет – ведь покрытия на их перья надо наносить заранее. А если бы можно было заранее знать, где разобьётся очередной танкер, несложно было бы и предотвратить аварию.
