Neue Studie zeigt, wie intermolekulare Kräfte das Design intelligenter Materialien beeinflussen

Eine kürzlich von Forschern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durchgeführte Studie definiert aus der Perspektive intermolekularer Kräfte neu, wie Flüssigkeiten ihren Kontakt mit festen Oberflächen aufrechterhalten – auch bekannt als Benetzbarkeit.

Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Nanoforschung am 8. Feb.

Die Benetzbarkeit ist für das Design von Materialien relevant, da sie bestimmt, wie Schichten zusammenhalten. Laut Studienautor und Professor Ye Tian vom Key Laboratory of Bio-inspired Materials and Interfacial Science spielt es „eine entscheidende Rolle in vielen Bereichen, wie der Effizienz katalytischer Reaktionen, der Trennung, Elektrodenmaterialien und dem Design bionischer intelligenter Materialien .“ Smarte Schichten, die je nach Feuchtigkeit ihren Kontakt ändern, könnten beispielsweise in Sportbekleidung zum Einsatz kommen, die sich an Feuchtigkeit anpasst.

Benetzbarkeitsmodelle

Hohe Benetzbarkeit bedeutet, dass sich ein Flüssigkeitstropfen ausbreitet und einen geringen Kontaktwinkel mit der Oberfläche erzeugt, während eine geringe Benetzbarkeit eine Flüssigkeit beschreibt, die sich nicht ausbreitet. Klassischerweise wird die Benetzbarkeit, wie durch den Kontaktwinkel angegeben, unter Verwendung der Young-Gleichung charakterisiert, die eine ideale, perfekt glatte Oberfläche modelliert. Breitet sich der Wassertropfen bis zu einem Kontaktwinkel von weniger als 90 Grad aus, wird die Oberfläche als hydrophil oder wasserliebend eingestuft. Wenn der Wassertropfen einen Kontaktwinkel von mehr als 90 Grad bildet, wird die Oberfläche als hydrophob eingestuft.

Das Modell von Young weist jedoch Einschränkungen bei der Erklärung des beobachteten Verhaltens von Flüssigkeiten in Kontakt mit festen Oberflächen auf. Zum Beispiel kann es nicht erklären, warum Wasserkontaktwinkel zunehmen, nachdem Oberflächen aufgeraut wurden, was in einem späteren Modell von Wenzel und Cassie beschrieben wurde. Die Autoren der Studie untersuchten außerdem die Wechselwirkungen von festen Oberflächen, die in reine Flüssigkeiten eingetaucht waren, auf molekularer Ebene, um besser zu verstehen, wie die intrinsischen Benetzungsschwellen (IWTs) – die Punkte, an denen sich Flüssigkeiten ausbreiten oder abperlen – liegen. Tian sagt: „Eine Reihe von Studien hat herausgefunden, dass hydrophobe Anziehung zwischen apolaren Oberflächen und hydrophile Abstoßung zwischen den polaren Oberflächen in Wasser bestehen kann, das heißt, die IWTs sollten von den intermolekularen Kräften abhängen.“

Intrinsische Benetzungsschwellen

Die Forscher experimentierten mit Wechselwirkungen von Feststoffen, die aus Schichten mit einer Dicke von einem Molekül (selbstorganisierte Monoschichten oder SAMs) in verschiedenen Flüssigkeiten bestanden, um zu untersuchen, wie die Benetzbarkeit ihre Anziehung oder Abstoßung beeinflusste. Sie wählten Wasser, Ethylenglykol (EG), Dimethylsulfoxid (DMSA) und N,N-Dimethylformamid (DMF) als Testflüssigkeiten, um eine Reihe von Oberflächenspannungen darzustellen. Mit einem Rasterkraftmikroskop maßen sie Kraftkurven für die Adhäsionskräfte zwischen den SAMs in jeder Flüssigkeit. Die Kontaktwinkel wurden für 1-μl-Tröpfchen jeder Flüssigkeit unter Verwendung eines Kontaktwinkelsystems bewertet, einem Gerät, das die Tropfenform und den Kontaktwinkel mit dem Feststoff analysiert.

Die Ergebnisse zeigten, dass für Wasser die intrinsische Benetzungsschwelle (IWT) bei einem Kontaktwinkel von 65° mit dem Feststoff auftrat, nicht bei den von der Young-Gleichung vorhergesagten 90°. Mit anderen Worten, 65° war der Schnittstellenpunkt zwischen hydrophilem und hydrophobem Verhalten, was mit Unterschieden in den Wasserstoffbindungsnetzwerken des Wassers auf beiden Seiten der Schwelle zu tun hat. Außerdem fanden sie Unterschiede in den Adhäsionskräften zwischen der Wasserschicht und den harten Oberflächen (SAMs) mit dem Übergang bei einem Kontaktwinkel von etwa 65°. Tian erklärt: „Wir haben bestätigt, dass die IWT für reines Wasser aus Sicht der Wechselwirkungskräfte zwischen symmetrischen SAMs etwa 65° beträgt.“

Den anderen organischen Flüssigkeiten fehlen Wasserstoffbrückenbindungen, aber die IWTs wurden dennoch erhalten, indem die Änderungen der Adhäsionskräfte zwischen den harten Oberflächen (SAMs) zusammen mit den Kontaktwinkeln betrachtet wurden. Die Ergebnisse lieferten „eine neue Kurve der IWTs, die sich von dem durch die Young-Gleichung definierten Wert unterscheidet, die verwendet werden kann, um die IWTs für reine Flüssigkeiten mit bekannten Oberflächenspannungen vorzubeurteilen“.

Nächste Schritte

Angesichts der bedeutenden Anwendungen für das Design von Funktionsmaterialien planen die Forscher, die Mechanismen der Benetzung auf molekularer Ebene weiter zu untersuchen. Nachdem sie die IWTs relativ zu Youngs historischer Gleichung neu definiert haben, erwarten sie, „eine neue Perspektive zum Verständnis der Beziehungen zwischen Benetzbarkeit und intermolekularer Kraft zu bieten“, prognostiziert Tian.

Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press