Nanotechnology Now – Comunicado de prensa: Los investigadores redefinen cómo las capas líquidas y sólidas se mantienen unidas en función de las fuerzas moleculares: un nuevo estudio muestra cómo las fuerzas intermoleculares influyen en el diseño de materiales inteligentes

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Relación entre la tensión superficial de los líquidos puros y los umbrales de humectación interna CRÉDITO Nano Research
Relación entre la tensión superficial de los líquidos puros y los umbrales de humectación interna CRÉDITO Nano Research

Resumen:
Un estudio reciente realizado por investigadores de la Academia de Ciencias de China está redefiniendo cómo los líquidos mantienen su contacto con superficies sólidas, también conocida como humectabilidad, desde una perspectiva de fuerza intermolecular.

Los investigadores están redefiniendo cómo las capas líquidas y sólidas se mantienen unidas en función de las fuerzas moleculares: un nuevo estudio revela cómo las fuerzas intermoleculares influyen en el diseño de materiales inteligentes

Pekín, China | Publicado el 08/04/2022

Los resultados fueron publicados en Nano Research el 8 de febrero.

La humectabilidad es relevante para el diseño de materiales porque determina cómo se mantienen unidas las capas. Según el autor del estudio y profesor Ye Tian del Laboratorio clave de materiales bioinspirados y ciencia interfacial, «desempeña un papel crucial en muchas áreas, como la eficiencia de las reacciones catalíticas, la separación, los materiales de los electrodos y el diseño de dispositivos inteligentes biónicos». materiales.” Las capas inteligentes cada vez que cambian su contacto con la humedad podrían usarse, por ejemplo, en ropa deportiva que se adapta a la humedad.

modelos de humectabilidad

Alta humectabilidad significa que una gota de líquido se esparce y crea un ángulo de contacto bajo con la superficie, mientras que baja humectabilidad describe un líquido que no se esparce. Clásicamente, la humectabilidad, indicada por el ángulo de contacto, se caracteriza mediante la ecuación de Young, que modela una superficie ideal perfectamente lisa. Si la gota de agua se extiende a un ángulo de contacto de menos de 90 grados, la superficie se clasifica como hidrófila o amante del agua. Si la gota de agua forma un ángulo de contacto superior a 90 grados, la superficie se clasifica como hidrófoba.

Sin embargo, el modelo de Young tiene limitaciones para explicar el comportamiento observado de líquidos en contacto con superficies sólidas. Por ejemplo, no puede explicar por qué los ángulos de contacto con el agua aumentan después de que las superficies se vuelven rugosas, lo que Wenzel y Cassie describieron en un modelo posterior. Los autores del estudio también examinaron las interacciones de las superficies sólidas sumergidas en líquidos puros a nivel molecular para comprender mejor dónde se encuentran los umbrales de humectación intrínsecos (IWT), los puntos en los que los líquidos se esparcen o se deslizan. Tian dice: «Varios estudios han encontrado que la atracción hidrofóbica entre las superficies apolares y la repulsión hidrofílica entre las superficies polares pueden existir en el agua, lo que significa que los IWT deberían depender de las fuerzas intermoleculares».

Umbrales de humectación intrínseca

Los investigadores experimentaron con interacciones de sólidos compuestos por capas de una molécula de espesor (monocapas autoensambladas o SAM) en diferentes líquidos para estudiar cómo afectaba la humectabilidad a su atracción o repulsión. Eligieron agua, etilenglicol (EG), dimetilsulfóxido (DMSA) y N,N-dimetilformamida (DMF) como líquidos de prueba para representar un rango de tensiones superficiales. Usando un microscopio de fuerza atómica, midieron las curvas de fuerza de las fuerzas de adhesión entre los SAM en cada líquido. Los ángulos de contacto se evaluaron para gotas de 1 μL de cada líquido usando un sistema de ángulo de contacto, un dispositivo que analiza la forma de la gota y el ángulo de contacto con el sólido.

Los resultados mostraron que, para el agua, el umbral de humectación intrínseco (IWT) se produjo en un ángulo de contacto de 65° con el sólido, no en los 90° predichos por la ecuación de Young. En otras palabras, 65° era el punto de interfaz entre el comportamiento hidrofílico e hidrofóbico, que tiene que ver con las diferencias en las redes de enlaces de hidrógeno del agua a ambos lados del umbral. También encontraron diferencias en las fuerzas de adhesión entre la capa de agua y las superficies duras (SAM) con la transición en un ángulo de contacto de alrededor de 65°. Tian explica: «Confirmamos que el IWT para el agua pura es de unos 65° desde el punto de vista de las fuerzas de interacción entre las SAM simétricas».

Los otros líquidos orgánicos carecen de enlaces de hidrógeno, pero los IWT aún se obtuvieron considerando los cambios en las fuerzas de adhesión entre las superficies duras (SAM) junto con los ángulos de contacto. Los resultados proporcionaron «una nueva curva de IWT, diferente del valor definido por la ecuación de Young, que puede usarse para predecir IWT para líquidos puros con tensiones superficiales conocidas».

Próximos pasos

Dadas las importantes aplicaciones para el diseño de materiales funcionales, los investigadores planean seguir investigando los mecanismos de humectación a nivel molecular. Habiendo redefinido los IWT en relación con la ecuación histórica de Young, esperan «brindar una nueva perspectiva para comprender las relaciones entre la humectabilidad y la fuerza intermolecular», predice Tian.

Los autores del tratado son Yulong Li, Shaofan He, Zhe Xu, Zhonglong Luo, Hongyan Xiao, Ye Tian y Lei Jiang.

Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Fundación de Ciencias Fronterizas, el Fondo Nacional de Investigación para Proyectos Clave Fundamentales y la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China.

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