Скачать (40,5 Кб)

Возьмем за образец лист лотоса

Доктор технических наук А. А. Абрамзон
Химия и Жизнь №11, 1982 г., с. 38-40

В самых различных областях техники возникает настоятельная необходимость в водонепроницаемых и водоотталкивающих материалах. И чем выше их гидрофобные свойства, тем лучше.

Идеальный случай гидрофобности - когда капли воды или другой жидкости полностью стекают с несмачиваемой поверхности, стекают - так и хочется сказать, - как с гуся вода. Однако пока оставим этот известный образ, он нам еще пригодится. Увы, идеальная гидрофобность, как и все прочие идеалы, кажется нам недостижимой. Промокают непромокаемые плащи, бисер капель покрывает ветровое стекло автомобиля, запотевают в сырую погоду очки, даже если их владелец заблаговременно смазал стекла противозапотевающими средствами...

Гидрофобные свойства поверхности, ее смачиваемость той или иной жидкостью зависят от краевого угла смачивания Q. При полном смачивании он равен нулю, при абсолютном несмачивании - 180°. По сию пору полной гидрофобности в искусственных условиях достичь не удается. Да и ожидать этого довольно трудно: угол Q для пары чистые парафины - вода равен 106-109°, немногим больше он у самого гидрофобного на сегодня синтетического материала - фторопласта - 112°. Но предел ли это?

Максимальный угол смачивания можно рассчитать, зная работу адгезии (Wa), которая необходима для разрыва поверхности, образования двух новых поверхностей у каждой из фаз. Работа адгезии рассчитывается по формуле Дюпре: Wа = sжт + sтг - sтж, где s - поверхностное натяжение на границе фаз: жидкость - газ, твердое тело - газ, твердое тело - жидкость.

Рис. 1. Капля на смачиваемой (слева) и несмачиваемой поверхности

Минимальное взаимодействие с другими веществами - у парафиновых углеводородов, чей дипольный момент равен нулю. При 20°С поверхностное натяжение парафина на границе с воздухом 30 мДж/м², а на границе с водой - 50 мДж/м², поверхностное натяжение воды 72 мДж/м². Таким образом, работа адгезии в нашем случае составит 52 мДж/м².

Принимая во внимание уравнение Юнга - условие равновесия жидкой капли на твердой поверхности: sтг = sтж + sжг·cos Q, нетрудно получить зависимость работы адгезии от угла Q. Вот эта зависимость: Wа = sжг(1 + cos Q). А вот и результат, рассчитанный по этому уравнению: максимальный угол смачивания для капли воды на парафине составляет 109,5°.

Эксперимент, напомним, дает 106-109°. Неплохое совпадение.

Таким образом, мы убедились - и экспериментально, и с помощью теоретического расчета, - что 109-112° - это значение угла Q, близкое к достижимому пределу. Однако природа демонстрирует нам примеры абсолютного несмачивания (Q ~ 180°). Столь гидрофобны гусиные перья (справедливости ради скажем - и утиные тоже), листья лотоса и сальвинии плавающей. По ним капли воды бегают, как ртуть по стеклу.

Рис. 2. Капля на листе лотоса (сверху) и листе сальвинии плавающей

Поверхность гидрофобных листьев покрыта особым растительным воском, поверхность перьев - жиром. Но и у воска и у жира угол смачивания всего лишь около 100°. В чем же дело?

Невиданная гидрофобность гуся и лотоса зависит от двух факторов. Рассмотрим их по порядку.

И у гусиного пера, и у листа лотоса поверхность не гладкая, а шероховатая. Угол же смачивания шероховатой поверхности Qш отличается от угла Q для того же материала, но гладкого. Эти углы связаны между собой таким соотношением (формула Венцеля - Дерягина):

cos Qш = K·cos Q

где К - коэффициент шероховатости, отношение истинной площади поверхности к ее горизонтальной проекции. Нетрудно заметить, что при Q > 90° Qш будет увеличиваться, поскольку К всегда больше единицы, а при Q < 90° Qш будет уменьшаться. Нетрудно также подсчитать, что при К = 3 угол смачивания поверхности парафина водой возрастает со 109° до 180° - до абсолютной гидрофобности.

Рис. 3. Для капли, скатывающейся с поверхности, отрывающая сила P' = P·sin a

Если рассчитать с поправкой на шероховатость угол смачивания водой листа лотоса, мы получим 150°. Однако напомним: водяная капля бегает по лотосу, как ртутная по стеклу. Значит, в данном расчете что-то не учтено. Обратимся ко второму фактору гидрофобности.

Чтобы капля бегала по поверхности, нужна очень низкая, практически нулевая адгезия. Но работа адгезии - физическая константа; тут ничего не изменить. Однако адгезия двух тел есть произведение работы адгезии и площади их контакта. По пути уменьшения этой площади и пошла природа, создавая идеально гидрофобные поверхности.

Лист лотоса покрыт заостренными, наподобие крохотных пирамидок, клетками. Лист сальвинии покрыт волосками. Поверхность перьев водоплавающих птиц не просто шероховата - каждый выступ на поверхности как бы обращен острием наружу. Капли воды соприкасаются только с остриями, так что площадь контакта получается просто крохотной. Отсюда и предельно низкая адгезия.

Теперь, учтя этот фактор, попытаемся оценить явление количественно.

Энергия удержания капли на поверхности равна произведению работы адгезии на площадь контакта WaS. Отрывает каплю сила тяжести P=(p/6)D³_Krg, где D_K - диаметр капли, r - плотность жидкости. Если капля не висит, а лежит на наклонной плоскости, отрывающая ее сила будет несколько иной: Р' = Р·sin a. Кроме того, капля, попадая на твердую гидрофобную поверхность, принимает форму, близкую к полусфере; ее диаметр увеличивается. Учтем и это, умножив диаметр на поправочный коэффициент (он равен 1,26). И тогда площадь контакта составит: S = p/4(1,26D_K)² = 1,25D²_K Подставив в условие отрыва капли (WaS < P) значения S и Р, получим: Wa = (p/6)D²_Krg По этой формуле можно подсчитать, что для угла смачивания 106° (парафин - вода) и адгезии 50 мДж/м² на поверхности удержатся капельки размером в доли миллиметра. Вот почему запотевают стекла очков, вот почему почти не помогают гидрофобные смазки для стекла. Так обстоит дело с гладкой поверхностью.

Следующий, весьма важный вопрос: как конструировать несмачиваемую шероховатую поверхность?

Капля не должна проваливаться в канавки и углубления между пирамидками или волосками на поверхности. Жидкость не должна опускаться в поверхностные капилляры. Иначе не будет выполнено уже сформулированное нами важнейшее условие гидрофобности: минимальный, "точечный" контакт жидкости с твердым телом. Как записать это условие языком формул?

Условие равновесия столба жидкости в капилляре - равенство сил тяжести и поверхностного натяжения:

(p/4)d²ph = pds·cosQ

где d и h - диаметр и высота капилляра. Простой расчет показывает, что на шероховатой поверхности парафина капиллярные силы вытолкнут каплю воды, даже если высота столба жидкости будет достигать 1 см, а расстояние между вершинами пирамидок - 1 мм. Иными словами, даже весьма грубые шероховатости могут обеспечить гидрофобность поверхности. Все зависит от размера капли. Скажем, капли дождя скатываются с листа сальвинии идеально.

Чтобы поверхность сбрасывала с себя даже туман, капли которого значительно мельче дождевых, нужна более тонкая структура шероховатостей. На листе лотоса вершины клеток-пирамидок отстоят друг от друга всего на несколько микрон. Поэтому и получается идеально гидрофобная поверхность. Чтобы получить ее искусственно, нужно взять за образец лист лотоса.

"Взять за образец лист лотоса" - довольно расплывчатая рекомендация. Так как же все-таки получить практически идеальную несмачиваемость? Если следовать изложенным теоретическим соображениям, это можно сделать, наверное, многими способами. Вот один из них.

Возьмите сотню лезвий для безопасной бритвы, тщательно отмойте их и нагрейте в духовке до температуры около 100°С. Там же, в духовке, расплавьте в фарфоровой чашке парафин. Каждое лезвие окуните в расплав, а затем дайте излишкам парафина стечь на фильтровальную бумагу - так, чтобы острие касалось ее поверхности. Соберите парафинированные бритвы в стопку толщиной около одного сантиметра, подравняйте ее и зажмите в тисках лезвиями вверх.

Эта микрошероховатая поверхность - та самая, которая по теории должна быть идеально гидрофобной. Проверьте и убедитесь, что капля воды покатится по ней, как ртуть по стеклу или вода по гусиным перьям.