Время жизни супергидрофобного состояния на шероховатой поверхности можно увеличить при насыщении воды газом. Ученые из Китая показали, что если поддерживать уровень насыщения близким к максимальному, то супергидрофобность может существовать бесконечно долго в рамках эксперимента. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Известно, что при смачивании водой плоской поверхности краевой угол может быть меньше 90 градусов (для гидрофильных поверхностей) или больше 90 градусов (для гидрофобных поверхностей). Но если сохранять поверхность идеально плоской, то даже для самых гидрофобных поверхностей краевой угол не может превышать примерно 120 градусов. Однако если добавить к гидрофобности еще и микрорельеф, краевой угол можно значительно увеличить за счет возникновения воздушного слоя между жидкостью и твердой поверхностью. Такой эффект наблюдается, например, на поверхности листа лотоса, а также используется для создания противосмачивающихся поверхностей. Тем не менее, для большинства таких поверхностей супергидрофобное состояние не является термодинамически устойчивым. Со временем газ покидает полости на шероховатой поверхности, и их заполняет жидкость. Для того, чтобы продлить время жизни супергидрофобного состояния, ученые обычно предлагают изменять геометрию поверхности или наносят на нее наночастицы, создавая иерархическую шероховатую структуру.

Угол смачивания — угол между касательной к поверхности капли в точке контакта и самой поверхностью. Слева направо угол смачивания уменьшается. Wikimedia Commons

В своем новом исследовании ученые из Китая предложили повысить устойчивость супергидрофобности, не изменяя свойства поверхности, а просто поддерживая постоянный уровень растворенного в жидкости воздуха. Чтобы показать, что такой механизм работает, они провели следующий эксперимент. Супергидрофобный лист лотоса поместили в водный поток скоростью до 30 миллилитров в минуту и следили за состоянием газа на поверхности. Вода вытекала из резервуара, который был помещен на подвижную платформу и через который продувался воздух, так что можно было контролировать гидростатическое давление и степень насыщенности воды воздухом.

Схема установки для исследования устойчивости супергидрофобного состояния. Y. Xiang et al./ Physical Review Letters, 2017

Оказалось, что вне зависимости от гидростатического давления, поддерживая максимально возможную концентрацию растворенного в воде газа (то есть насыщенность в 100 процентов), можно сохранять супргидрофобное состояние на поверхности листа лотоса достаточно долгое время. Эксперимент проводился в течение нескольких часов, и никаких изменений за это время ученые не обнаружили. При этом в случае насыщенности, например, в 67 процентов, уже через две минуты все полости поверхности оказывались заполнены водой.

Ученые не уточняют, как такой метод можно применить при использовании супергидрофобных поверхностей в естественных водоемах, но для лабораторных условий такой способ является весьма перспективным.

Недавно мы писали о еще одном интересном свойстве супергидрофобных поверхностей: они могут сильно снижать сопротивление жидкости. А если супергидрофобный шарик бросить в жидкость с нужной скоростью, то сопротивление может снизиться сразу в 10 раз.

Автор: Александр Дубов