Физики научились правильно измерять углы смачивания
Физики разработали схему надежного измерения краевых углов при смачивании водой поверхностей с разным типом микрорельефа и степенью гидрофобности. Оказалось, что лучше всего для точного определения углов смачивания использовать сидячую каплю, объем которой сначала медленно увеличивается, а потом уменьшается обратно. При этом, если правильно проводить эксперимент, то время одного полного измерения составит до 2 часов, пишут ученые в Nature Protocols.
Один из основных параметров, характеризующих смачивание поверхностей жидкостью — это краевой угол, то есть угол, который образуется на стыке твердой, жидкой и газовой фаз между твердой поверхностью и касательной к поверхности жидкости. Для идеальной (гладкой и химически однородной) поверхности этот угол определяется соотношением Юнга, связывающим поверхностные энергии на трех межфазных границах (жидкость-твердое, жидкость-газ и твердое-газ). В случае смачивания поверхностей водой, если этот угол меньше 90 градусов, то поверхность называют гидрофильной, если больше — гидрофобной.
Казалось бы, измерение этого угла — довольно простая процедура: нужно просто поместить на поверхность каплю жидкости, сфотографировать ее и измерить угол между двумя лучами на фотографии. Однако для реальных поверхностей эта задача оказывается не так проста, как кажется на первый взгляд. Во-первых, из-за неоднородности рельефа и химического состава поверхности этот угол для каждой поверхности может принимать не единственное значение, а множество значений в определенном диапазоне. Это явление называет гистерезисом краевого угла, а минимальный и максимальный краевые углы в этом диапазоне — соответственно, углами оттекания (receding angle) и натекания (advancing angle). Во-вторых, внутри этого диапазона между максимальным и минимальным значениями возможно существование нескольких дополнительных метастабильных состояний. Выбрать из них нужное, соответствующее глобальному минимуму энергии обычно бывает очень непросто, что приводит к систематическим ошибкам, как при измерении краевого угла в наиболее устойчивом состоянии, так и при определении углов натекания и оттекания.
Физики из Финляндии и Китая под руководством Робина Раса (Robin H. A. Ras) из Университета Аалто проанализировали все известные способы определения краевых углов и разработали общую схему проведения наиболее надежных измерений. Самым точным способом оказался метод сидячей капли, при котором капля помещается на исследуемую поверхность. Внутрь капли при этом помещается иголка шприцевого насоса, через которую можно закачивать и откачивать жидкость. После этого объем капли сначала медленно увеличивают, а потом — уменьшают обратно. Такой цикл повторяется многократно и контролируя все стадии процесса и измеряя динамику изменения краевого угла, можно получить необходимые значения.
Этот метод оказался более надежным по сравнению с другими популярными способами измерения гистерезиса краевого угла — например, постепенным наклоном поверхности до того момента, как капля начнет с нее соскальзывать, или вытягиванием пластинки из объема жидкости.
В результате ученые нашли оптимальную скорость увеличения объема (от 0,05 до 2 микролитров в секунду в зависимости от стадии процесса), а также определили наиболее подходящий объем капли, который позволяет точно измерить углы оттекания и натекания на разных поверхностях. Оказалось, что для разных соотношений измеряемых углов этот объем может меняться почти на порядок — от 20 до 150 микролитров.
Кроме того, ученые сформулировали рекомендации для настроек параметров съемки: увеличения, контрастности изображения и скорости записи, — а также описали возможные проблемы, которые могут возникать при измерении краевых углов на различных типах поверхности и предложили способы их решения.
Полное измерение параметров смачивания по предложенной схеме составит от одного до двух часов, а однократное определение углов оттекания и натекания — около 15 минут. Ученые отмечают, что пока предложенный метод был отработан только для смачивания однородных поверхностей водой, однако он может использоваться и для других жидкостей.
Стоит отметить, что из-за неоднородностей исследуемых поверхностей часто и значения краевых углов распределены по ним очень неравномерно. Чтобы определить, как параметры, определяющие смачивание поверхностей распределены по поверхности, физики разработали специальный микроскоп, чувствительным зондом которого служит капля жидкости.
Александр Дубов
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.