Differenze di bagnabilità macroscopica di diverse facce di cristallo α-Al2O3 e diagrammi schematici per illustrare il meccanismo a livello molecolare. (a) L'allumina policristallina è altamente idrofila, mentre il cristallo α-Al2O3 si affaccia con (11-20), gli orientamenti (10-10) e (0001) sono idrofili, ma (1-102) la faccia del cristallo è idrofoba (l'inserto mostra l'immagine ottica di un campione α-Al2O3 a cristallo singolo piatto a specchio). I diagrammi schematici mostrano la struttura composita delle molecole d'acqua dell'interfaccia adsorbite e degli atomi solidi esposti. Gli orientamenti delle molecole d'acqua si tradurranno in due stati tipici che offrono due elettroni a coppia solitaria (b-d) o un atomo di idrogeno (e) nella posizione più alta, quale, a sua volta, risultano idrofili e idrofobici, rispettivamente. Credito:Science China Press
Nel 1805, Thomas Young ha studiato l'equilibrio meccanico alla linea di contatto trifase solido/liquido/gas (l'equilibrio delle forze agenti sulla linea di contatto formata dall'intersezione dell'interfaccia liquido-gas e la superficie solida), e ha introdotto il concetto macroscopico di "angolo di contatto" e l'equazione di Young. Sulla base delle ipotesi di un isotropo, superficie omogenea e liscia, L'equazione di Young fornisce la relazione tra l'angolo di contatto intrinseco della superficie solida e l'energia libera interfacciale alla linea di contatto trifase solido/liquido/gas.
Però, è difficile ottenere una superficie così perfetta in realtà, e le superfici sono generalmente eterogenee. Sebbene la superficie macroscopica sia liscia, la superficie microscopica tende ad essere caotica. L'angolo di contatto così ottenuto non può essere chiamato angolo di contatto intrinseco.
Per esplorare la bagnabilità intrinseca dei materiali, il team del Prof. Xiaolin Wang dell'Università di Wollongong e del Prof. Lei Jiang e del Prof. Tian Ye dell'Accademia Cinese delle Scienze hanno studiato congiuntamente il comportamento alla bagnabilità di diverse facce di cristallo di zaffiro (α-Al 2 oh 3 ) cristalli singoli. I risultati correlati sono stati pubblicati nel National Science Review (NSR) con il titolo "Crystal Face Dependent Intrinsic Wetability of Metal Oxide Surfaces".
La superficie dell'allumina è idrofila, e l'angolo di contatto della superficie policristallina dell'allumina è di circa 10 gradi. Durante l'esperimento, i ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che gli angoli di contatto intrinseci di tutti e quattro gli α-Al 2 oh 3 i singoli cristalli con diverse facce di cristallo sono di gran lunga maggiori di 10 gradi, e l'angolo di contatto della faccia del cristallo (1-102) è molto vicino a 90 gradi. Lo studio precedente nel nostro gruppo aveva dimostrato che il confine idrofilo e idrofobo intrinseco del materiale di superficie è di circa 65 gradi, quindi la superficie del cristallo (1-102) è idrofoba.
Attraverso la simulazione DFT delle strutture delle molecole d'acqua interfacciali adsorbite su diverse facce cristalline, si è riscontrato che rispetto all'idrofilo (11-20), (10-10) e (0001) facce di cristallo, le molecole d'acqua adsorbite sulla faccia del cristallo (1-102) sono in uno stato permanente; questo è, gli atomi di idrogeno della faccia cristallina idrofoba si trovano nel punto più alto del primo strato di acqua adsorbita. Perciò, le molecole d'acqua dalle goccioline d'acqua sulla linea di contatto trifase possono formare solo un legame idrogeno con un atomo di idrogeno. Poiché un'interazione del legame idrogeno è relativamente debole, la linea di contatto trifase è facilmente ancorabile. Ma sulle facce di cristallo idrofilico, gli atomi di ossigeno della molecola d'acqua interfacciale adsorbita sono nel punto più alto. In questo caso, ci sono due coppie solitarie di elettroni di un atomo di ossigeno per formare due interazioni di legame idrogeno con molecole d'acqua di goccioline d'acqua sulla linea di contatto trifase. Quindi, la linea di contatto a tre linee è più facile da diffondere.
Questo lavoro è iniziato dall'interfaccia di cristallo piatto di allumina a livello atomico e ha dimostrato che l'orientamento delle molecole d'acqua interfacciali adsorbite ha un enorme impatto sulla bagnabilità macroscopica di superfici solide con la composizione chimica simile (alluminio e ossigeno) e quasi nessuna struttura topografica (atomicamente piatta ). Questo lavoro si concentra sullo studio della bagnabilità intrinseca dell'interfaccia solida, che possono fornire spunti per migliorare l'efficienza catalitica, preparare ottimi materiali funzionali, e migliorare le prestazioni dei dispositivi compositi.
