Почему вода скатывается с тефлона и растекается по стеклу: ученые впервые нашли молекулярную причину

Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета решили десятилетнюю загадку поведения капель воды на различных поверхностях. Новое исследование, опубликованное в журнале Натуре Фйсикс, объяснило движение воды в наномасштабе на молекулярном уровне. Это открытие фундаментально проясняет, почему вода принимает круглую форму на гидрофобных поверхностях, таких как тефлон, и растекается тонким слоем на гидрофильных поверхностях, таких как стекло. Об этом сообщает Иксбт.ком сообщает издание.

Обычно взаимодействие жидкости с поверхностью объясняется законами классической физики. Однако, когда речь идет о сверхмалых каплях нанометрового размера, традиционные теории не всегда дают ожидаемый результат. Физики долгое время не могли понять, почему сила линейного натяжения — сила, значимая только в наномасштабе, — меняет свой знак (направление) в процессе полного смачивания поверхности.

Роль водородных связей

Группа под руководством ведущего автора исследования Мохд Моида провела компьютерные симуляции с использованием метода молекулярной динамики. Выяснилось, что в жидкой воде водородные связи образуют локальную тетраэдрическую структуру. При этом каждая молекула воды временно связывается с четырьмя своими соседями. Ученые заметили, как именно изменение этой структуры влияет на растекание воды по поверхности.

Согласно результатам исследования, при полном смачивании поверхности эта тетраэдрическая структура на границе капли разрушается. Именно это состояние вызывает изменение знака линейного натяжения. Таким образом, внутренний порядок между молекулами воды оказался основным фактором, определяющим, насколько быстро и широко она растекается по поверхности.

Фактор важнее химического состава

Интересно, что исследователи также провели эксперимент на двухслойном льду на гидрофильной (притягивающей воду) поверхности. Выяснилось, что, хотя химические свойства поверхности способствуют притяжению воды, такой слой льда не растекается. Это означает, что локальная структурная организация воды может оказывать более сильное влияние, чем химический состав материала.

Данное открытие имеет не только теоретическое значение. Ожидается, что понимание такого тонкого баланса между жидкостью и твердой поверхностью произведет революцию в ряде прикладных областей. В частности, эти данные будут широко использоваться в системах охлаждения микроэлектронных устройств, изучении движения жидкостей в биологических системах и создании водоотталкивающих материалов нового поколения.

Издание Натуре Фйсикс отмечает, что структура внутреннего слоя жидкости была признана одним из важнейших факторов, определяющих степень смачивания. Теперь инженеры и ученые при проектировании поверхностей смогут учитывать не только их химическое покрытие, но и геометрическое расположение молекул воды при их взаимодействии с поверхностью.