Un recente studio condotto da ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze ridefinisce il modo in cui i liquidi mantengono il contatto con le superfici solide, noto anche come bagnabilità, dal punto di vista della forza intermolecolare.

I risultati sono stati pubblicati in Nano Research l'8 febbraio.

La bagnabilità è rilevante per la progettazione dei materiali perché determina il modo in cui gli strati si uniscono. Dice l'autore dello studio e professore Ye Tian del Key Laboratory of Bio-inspired Materials and Interfacial Science, "svolge un ruolo cruciale in molti campi, come l'efficienza della reazione catalitica, la separazione, i materiali degli elettrodi e la progettazione di materiali bionici intelligenti ." Ad esempio, gli strati intelligenti che cambiano il loro contatto a seconda dell'umidità potrebbero essere utilizzati in abbigliamento sportivo che si adatta all'umidità.

Modelli di bagnabilità

Alta bagnabilità significa che una goccia di liquido si diffonde, creando un basso angolo di contatto con la superficie, mentre bassa bagnabilità descrive un liquido che resiste alla diffusione. Classicamente, la bagnabilità, come indicato dall'angolo di contatto, è caratterizzata dall'equazione di Young, che modella una superficie ideale e perfettamente liscia. Se la goccia d'acqua si diffonde a un angolo di contatto inferiore a 90 gradi, la superficie viene classificata come idrofila o amante dell'acqua. Se la goccia d'acqua forma un angolo di contatto superiore a 90 gradi, la superficie viene classificata come idrofobica.

Tuttavia, il modello di Young ha dei limiti nello spiegare il comportamento osservato dei liquidi a contatto con superfici solide. Ad esempio, non può spiegare perché gli angoli di contatto con l'acqua aumentino dopo che le superfici sono state irruvidite, cosa che è stata descritta in un successivo modello di Wenzel e Cassie. Gli autori dello studio, inoltre, hanno studiato le interazioni delle superfici solide immerse in liquidi puri a livello molecolare per comprendere meglio come le soglie di bagnatura intrinseca (IWT) - i punti in cui i liquidi si diffondono o perdono. Dice Tian "una serie di studi ha scoperto che l'attrazione idrofobica può esistere tra le superfici apolari e la repulsione idrofila tra le superfici polari nell'acqua, ovvero gli IWT dovrebbero dipendere dalle forze intermolecolari".

Soglie di bagnabilità intrinseca

I ricercatori hanno sperimentato interazioni di solidi costituiti da strati spessi una molecola (monostrati autoassemblati o SAM) in diversi liquidi per osservare come la bagnabilità ha influenzato la loro attrazione o repulsione. Hanno scelto acqua, glicole etilenico (EG), dimetilsolfossido (DMSA) e N,N-dimetilformammide (DMF) come liquidi di prova per rappresentare una gamma di tensioni superficiali. Usando un microscopio a forza atomica, hanno misurato le curve di forza per le forze di adesione tra i SAM in ciascun liquido. Gli angoli di contatto sono stati valutati per 1 μL di goccioline di ciascun liquido utilizzando un Contact Angle System, un dispositivo che misura analizza la forma delle gocce e l'angolo di contatto con il solido.

I risultati hanno mostrato che per l'acqua, la soglia di bagnatura intrinseca (IWT) si verificava a un angolo di contatto di 65° con il solido, non i 90° previsti dall'equazione di Young. In altre parole, 65° era il punto di interfaccia tra il comportamento idrofilo e quello idrofobico, che ha a che fare con le differenze nelle reti di legami idrogeno dell'acqua su entrambi i lati della soglia. Inoltre, hanno riscontrato differenze nelle forze di adesione tra lo strato d'acqua e le superfici dure (SAM) con la transizione a un angolo di contatto di circa 65°. Spiega Tian, ​​"abbiamo confermato che l'IWT per l'acqua pura è di circa 65° dal punto di vista delle forze di interazione tra SAM simmetrici".

Gli altri liquidi organici mancano di legami idrogeno, ma gli IWT sono stati ottenuti osservando i cambiamenti nelle forze di adesione tra le superfici dure (SAM) insieme agli angoli di contatto. I risultati hanno fornito "una nuova curva degli IWT, distinta dal valore definito dall'equazione di Young, che può essere utilizzata per giudicare anticipatamente gli IWT per liquidi puri con tensioni superficiali note".

Passaggi successivi

I ricercatori intendono continuare a studiare i meccanismi di bagnatura a livello molecolare, viste le significative applicazioni alla progettazione di materiali funzionali. Avendo ridefinito gli IWT rispetto all'equazione storica di Young, si aspettano di "fornire una nuova prospettiva per comprendere le relazioni tra bagnabilità e forza intermolecolare", prevede Tian. + Esplora ulteriormente

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