Физики придумали микроскоп для изучения смачивания

Зонд для микроскопии смачивания

Matti Hokkanen / Aalto University

Физики из Финляндии разработали метод микроскопии для получения «карт смачивания» гидрофобных и супергидрофобных поверхностей с микронным разрешением. С помощью такого подхода можно исследовать как искусственные, так и естественные поверхности, пишут ученые в статье в Nature Communications.

Для того, чтобы описать взаимодействие поверхности с водой, обычно используется понятие угла смачивания. Чем больше угол, который образует капля при контакте с поверхностью, тем сильнее поверхность отталкивает от себя воду. При этом, если поверхность плоская, то даже самые водоотталкивающий (гидрофобный) материал не позволит получить угол смачивания больше 120 градусов. Поэтому для дальнейшего увеличения краевого угла поверхность приходится делать рельефной.

Из-за этого все супергидрофобные поверхности, у которых угол смачивания может приближаться даже к 180 градусам, имеют сложный микрорельеф. Благодаря нему между твердой поверхностью и водой фиксируются небольшие капельки воздуха, из-за чего поверхности становятся очень неоднородными. Однако, как правило, ученые исследуют только эффективное смачивание всей поверхности целиком, не обращая внимание на небольшие неоднородности. Тем не менее для многих приложений, в которых капля жидкости должна двигаться по поверхности, эта информация является достаточно важной. Для оценки неоднородности небольших участков можно использовать методы атомно-силовой микроскопии, однако на сегодняшний день эти подходы практически не развиты.

Коллектив физиков из Финляндии под руководством Робина Раса (Robin H.A. Ras) из Университета Аалто разработал метод создания «карт смачивания» с использованием сверхчувствительного зонда для измерения сил. Ученые предложили на конце такого зонда закреплять достаточно большую каплю воды. Постепенно приближая зонд с каплей к исследуемой поверхности, можно с точностью до нескольких долей наноньютонов измерять силу, с которой капля сначала притягивается, а потом отталкивается от поверхности. Если такие измерения проводить в различных точках поверхности, то можно составить карту смачивания для исследуемого образца. Благодаря высокой чувствительности используемого прибора для измерения сил с помощью такого устройства можно измерять силу даже для супергидрофобной поверхности с очень низкой адгезией.

Предложенная конфигурация «сканируещего адгезионного микроскопа» (scanning droplet adhesion microscope), как назвали свое устройство авторы работы, позволяет строить карты смачивания как для естественных супергидрофобных поверхностей, так и для полученных в лаборатории. В своей работе ученые рассмотрели супергидрофобное крыло бабочки и полученную с помощью фотолитографии поверхность, состоящую из массива цилиндрических колонн.

В результате для каждых из двух поверхностей ученым удалось измерить силы адгезии величиной в нескольких наноньютонов, и построить карты ее распределения. Разрешение предложенного метода составило около 10 микрон.

Стоит отметить, что с помощью предложенного устройства можно не только получать карты смачивания, но и исследовать, например, гистерезис краевого угла и динамику так называемого пининга краевой линии — ее «зацепления» за химические неоднородности и края выступов на поверхности.

Авторы работы отмечают, что в предложенном методе вместо воды можно использовать и другие жидкие растворители и изучать с помощью него не только смачивание супергидрофобных поверхностей водой, а, например, смачивание суперолеофобных — органическими маслами.

Очень низкая адгезия жидкости к супергидрофобным поверхностям не только позволяет применять их для охлаждения или очистки от загрязнений, но может быть использована, например, для снижения гидродинамического сопротивления, которое оказывает жидкость на движущиеся в ней объекты.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.