Почему вода скатывается с утки, но растекается по чистому стеклу? Такое поведение макроскопических (миллиметровых) капель можно объяснить с помощью гипотезы континуума. Однако когда капли наноразмера (10–9 мм) растекаются по поверхности, в игру вступает сила, называемая линейным натяжением. Вопросы о природе этой силы и ее влиянии на взаимодействие воды с поверхностями остаются без ответа.
Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета провели вычислительные эксперименты, которые на молекулярном уровне объяснили происхождение поверхностного натяжения в нанокаплях воды. Об этом открытии рассказано в журнале Nature Physics.
На гидрофобных поверхностях, таких как тефлон, вода образует сферические капли и стекает с них. Этот процесс называется несмачиванием. На восковой поверхности вода образует стабильные круглые капли, что соответствует частичному смачиванию. На чистом стекле вода растекается тонкой пленкой, что называется полным смачиванием. Смачиваемость поверхности — это способность жидкости сохранять контакт с твердой поверхностью. Изменение смачиваемости поверхности может привести к переходу от частичного смачивания к полному.
На границе капли воды на поверхности соприкасаются три фазы. Форма макроскопической капли определяется балансом сил на трех границах раздела (твердое тело — воздух, жидкость — твердое тело и жидкость — воздух) вдоль линии контакта.
Вдоль этой линии действует дополнительная сила — натяжение линии. Для макроскопической капли натяжение линии намного меньше межфазного натяжения. Однако для наноразмерных капель линия контакта по размеру сопоставима с самой каплей. При полном смачивании натяжение линии может стать значимым, сильно влияя на смачивание наноразмерных капель. Это явление невозможно объяснить с помощью чисто континуального описания.
Команда провела молекулярно-динамическое моделирование, чтобы изучить, как молекулы воды выстраиваются на поверхности во время смачивания. Затем ученые измерили поверхностное натяжение для различных смачиваемых поверхностей.
«В жидкой воде водородные связи, как правило, объединяют молекулы воды в локальную тетраэдрическую структуру с ближним порядком — временную структуру с четырьмя соседними молекулами, — объясняет ведущий автор исследования Мохд Мойд. — Трудно провести физические эксперименты, чтобы выяснить, как меняется этот порядок, когда вода полностью смачивает поверхность».
Однако компьютерные эксперименты показали, что при полном смачивании тетраэдрический порядок разрушается на линии контакта. Это структурное изменение связано с изменением знака натяжения линии.
«Мы также провели компьютерные эксперименты с двойным слоем льда на гидрофильной поверхности, — рассказывает Хадзимэ Танака, старший автор исследования. — Двойной слой льда состоит из двух слоев молекул воды. Мы обнаружили, что он не смачивает поверхность, что свидетельствует о том, что локальный порядок может преобладать над химическими свойствами поверхности».
Эта работа показывает, что структура межфазной жидкости является ключевым фактором, определяющим смачиваемость, и предлагает новый принцип управления межфазной механикой и смачиванием в неорганических и биологических системах.
[Фото: Institute of Industrial Science, The University of Tokyo]
