Nieuwe studie onthult hoe intermoleculaire krachten het ontwerp van slimme materialen beïnvloeden

Een recent onderzoek door onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen herdefinieert hoe vloeistoffen hun contact met vaste oppervlakken behouden – ook wel bevochtigbaarheid genoemd – vanuit een intermoleculaire krachtperspectief.

De bevindingen zijn gepubliceerd in Nano-onderzoek op 8 februari

Bevochtigbaarheid is relevant voor het ontwerp van materialen omdat het bepaalt hoe lagen aan elkaar plakken. Volgens studieauteur en professor Ye Tian van het Key Laboratory of Bio-inspired Materials and Interfacial Science “speelt het “een cruciale rol op veel gebieden, zoals de efficiëntie van katalytische reactie, scheiding, elektrodematerialen en het ontwerp van bionische slimme materialen .” Slimme lagen die hun contact veranderen afhankelijk van vocht kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in sportkleding die zich aanpast aan vochtigheid.

Bevochtigbaarheidsmodellen

Hoge bevochtigbaarheid betekent dat een vloeistofdruppel zich verspreidt, waardoor een lage contacthoek met het oppervlak ontstaat, terwijl lage bevochtigbaarheid een vloeistof beschrijft die zich niet verspreidt. Klassiek wordt de bevochtigbaarheid, zoals aangegeven door de contacthoek, gekarakteriseerd met behulp van de vergelijking van Young, die een ideaal, perfect glad oppervlak modelleert. Als de waterdruppel zich uitbreidt tot een contacthoek van minder dan 90 graden, wordt het oppervlak gecategoriseerd als hydrofiel of waterminnend. Als de waterdruppel een contacthoek van meer dan 90 graden maakt, wordt het oppervlak gecategoriseerd als hydrofoob.

Het model van Young heeft echter beperkingen bij het verklaren van het waargenomen gedrag van vloeistoffen in contact met vaste oppervlakken. Het kan bijvoorbeeld niet verklaren waarom de contacthoeken met water toenemen nadat oppervlakken zijn opgeruwd, wat werd beschreven in een later model van Wenzel en Cassie. De auteurs van het onderzoek onderzochten verder de interacties van vaste oppervlakken ondergedompeld in pure vloeistoffen op moleculair niveau om beter te begrijpen hoe de intrinsieke bevochtigingsdrempels (IWT’s) – de punten waarop vloeistoffen zich verspreiden of parelen. Tian zegt: “een reeks onderzoeken heeft aangetoond dat hydrofobe aantrekking kan bestaan ​​tussen apolaire oppervlakken en hydrofiele afstoting tussen de polaire oppervlakken in water, dat wil zeggen dat de binnenwateren afhankelijk moeten zijn van de intermoleculaire krachten.”

Intrinsieke bevochtigingsdrempels

De onderzoekers experimenteerden met interacties van vaste stoffen bestaande uit lagen van één molecuul (zelf-geassembleerde monolagen of SAM’s) in verschillende vloeistoffen om te kijken hoe bevochtigbaarheid hun aantrekking of afstoting beïnvloedde. Ze kozen water, ethyleenglycol (EG), dimethylsulfoxide (DMSA) en N,N-dimethylformamide (DMF) als testvloeistoffen om een ​​reeks oppervlaktespanningen weer te geven. Met behulp van een atomaire krachtmicroscoop maten ze krachtcurven voor de adhesiekrachten tussen de SAM’s in elke vloeistof. Contacthoeken werden beoordeeld voor druppeltjes van 1 L van elke vloeistof met behulp van een Contact Angle System, een apparaat dat de druppelvorm en contacthoek met de vaste stof meet.

De resultaten toonden aan dat voor water de intrinsieke bevochtigingsdrempel (IWT) optrad bij een contacthoek van 65° met de vaste stof, niet de 90° voorspeld door de vergelijking van Young. Met andere woorden, 65° was het grensvlak tussen hydrofiel en hydrofoob gedrag, wat te maken heeft met verschillen in de waterstofbruggen in het water aan weerszijden van de drempel. Ook vonden ze verschillen in de adhesiekrachten tussen de waterlaag en de harde oppervlakken (SAM’s) met de overgang bij een contacthoek van ongeveer 65°. Tian legt uit: “we hebben bevestigd dat de IWT voor zuiver water ongeveer 65 ° is vanuit het oogpunt van interactiekrachten tussen symmetrische SAM’s.”

De andere organische vloeistoffen hebben geen waterstofbruggen, maar toch werden de IWT’s verkregen door te kijken naar veranderingen in adhesiekrachten tussen de harde oppervlakken (SAM’s) samen met de contacthoeken. De resultaten leverden “een nieuwe curve van de IWT’s op, in tegenstelling tot de waarde gedefinieerd door Young’s vergelijking, die kan worden gebruikt om de IWT’s te voorspellen voor zuivere vloeistoffen met bekende oppervlaktespanningen.”

Volgende stappen

De onderzoekers zijn van plan om de mechanismen van bevochtiging op moleculair niveau te blijven bestuderen, gezien de belangrijke toepassingen bij het ontwerpen van functionele materialen. Nadat ze de IWT’s opnieuw hebben gedefinieerd ten opzichte van de historische vergelijking van Young, verwachten ze “een nieuw perspectief te bieden om de relaties tussen bevochtigbaarheid en intermoleculaire kracht te begrijpen”, voorspelt Tian.