Используя гидрофобные направляющие линии на супергидрофобной поверхности, физики заставили капли стекать с плоской поверхности по заранее заданному маршруту, например, окружности или синусоиде. Добиться этого удалось за счет снижения количества химических неоднородностей и дефектов на поверхности, сообщается в статье в ACS Applied Materials & Interfaces.
В зависимости от своего химического состава разные поверхности по-разному смачиваются водой. На поверхности гидрофильного материала (например, стекла) находится большое количество заряженных или поляризуемых химических групп, поэтому капля воды стремится растечься по его поверхности. В случае гидрофобного материала (например, тефлона), на его поверхности сосредоточены неполярные группы, и капли отталкиваются от поверхности, становясь более круглыми. Сочетая химический состав и микрорельеф, можно сделать поверхность даже супергидрофобной, так что вода будет находиться на ней в виде практически сферических капель.
Основным показателем смачивания является краевой угол, который образует касательная к жидкости с твердой поверхностью на линии трехфазного контакта жидкость-газ-твердая поверхность. Комбинируя на одной поверхности участки с разным краевым углом (например, совмещая гидрофильные и гидрофобные области), можно управлять взаимодействием поверхности с каплями воды, заставляя ее течь в определенном направлении. При этом, однако, из-за высокой адгезии к гидрофильным поверхностям, по ней жидкость двигается значительно медленнее, прилипая к отдельным участкам и скапливаясь на границах.
Чтобы создать материал, с которого вся вода стекает в виде капель, но при этом двигается по заранее заданному маршруту, Тин Дун (Ting Dong) из Университета Дунхуа и Томас Маккарти (Thomas J. McCarthy) из Массачусетского университета предложили наносить на супергидрофобную поверхность тонкие полосы нужной формы из гидрофобного материала. Полосы наносились на супергидрофобную поверхность с помощью фотолитографии с последующей химической обработкой. Ширина гидрофобных участков составила от 50 до 400 микрон, а объем капель, которые скатывались по этим полосам — около 20 микролитров.
Основной сложностью работы было получение материалов, с достаточно однородной поверхностью. Из-за наличия неоднородностей химического состава и микрошероховатостей, ни на одной реальной поверхности краевой угол не является постоянной величиной и может меняться в определенном диапазоне. С помощью осаждения веществ из газовой фазы авторам данной работы удалось свести к минимуму число дефектов на поверхности и, как следствие, сократить зазор между максимальным и минимальным краевыми углами всего до двух градусов — как для гидрофобного участка (на котором краевой угол менялся от 102 до 104 градусов), так и для его супергидрофобного окружения (от 171 до 173 градусов).
В результате капли свободно скатывались с таких поверхностей, двигаясь при этом только по гидрофобным линиям. Для проверки предложенного механизма ученые предложили для капель маршруты в виде отрезка прямой, синусоиды, окружности, а также дуги и кривой в форме знака вопроса.
В будущем такие поверхности можно будет использовать, например, для самоочищающихся автомобильных или оконных стекол, а также в различных микрофлюидных устройствах, которые требуют движения отдельных капель жидкости в заданном направлении.
Стоит отметить, что точное определение значения максимального и минимального краевых углов на супергидрофобной поверхности — довольно сложная задача, в первую очередь из-за того, что сложно точно найти линию контакта жидкости с поверхностью. Часто для этого приходится использовать не только традиционные оптические методы, но и более сложные приборы, например, конфокальную микроскопию.
Александр Дубов