Een experiment, elegant in zijn eenvoud, helpt verklaren waarom water wordt geëlektrificeerd wanneer het hydrofobe oppervlakken raakt.

Voor meer dan een eeuw, wetenschappers zijn verbaasd over de elektrificatie van water wanneer het in contact wordt gebracht met waterafstotende of 'hydrofobe' materialen, zoals paraffinewas, oliën, luchtbellen en geperfluoreerde membranen en platen. Onderliggende mechanismen blijven fel bediscussieerd. Nutsvoorzieningen, een team van KAUST-ingenieurs heeft de rollen van water ontward, hydrofobiciteit en omgevingsfactoren in dit proces. Deze fundamentele bijdrage zou de ontwikkeling van betere apparaten voor microfluïdica en nanofluïdica en voor het opwekken van schone energie kunnen ondersteunen.

"Hydrofobe oppervlakken komen vrij vaak voor, " merkt Jamilya Nauruzbayeva op, doctoraat student en hoofdauteur van de studie. "Bijvoorbeeld, polypropyleen en geperfluoreerde pipetten, buizen, coatings en membranen zijn hydrofobe oppervlakken die worden gebruikt voor veel basiswetenschappen en technische toepassingen. Dus, het is belangrijk om te begrijpen welke mechanismen een rol spelen om ze te verbeteren en nieuwe te ontwikkelen."

Himanshu Mishra, die deze studie heeft bedacht en geleid, zegt dat hij al meer dan vijf jaar over dit probleem nadenkt. "Het aftasten van het wateroppervlak is een ondraaglijk moeilijke onderneming omdat de dikte van grensvlakken tot op de moleculaire schaal is, die geen enkele experimentele techniek ondubbelzinnig kan onderzoeken, ' legt Misra uit.

"Dit is een opwindend onderwerp op waterconferenties; door de jaren heen door experiment en theorie, verschillende concurrerende factoren en mechanismen zijn voorgesteld, " zegt Mishra. Deze omvatten, bijvoorbeeld, de dipolaire aard van het watermolecuul; de onmiddellijke ladingsoverdracht tussen grensvlakwatermoleculen en hydrofoben; het oplossen van atmosferisch CO2 in water; en de grensvlakaccumulatie van intrinsieke ionen van water (d.w.z. hydroxide- en hydroniumionen).

Mishra en zijn studenten werkten samen met Carlos Santamarina om elementaire experimenten te ontwerpen om de rol van water te ontwarren, zijn ionen en pH, hydrofobiciteit van oppervlakken, en omgevingsfactoren, zoals relatieve vochtigheid en CO2-gehalte.

Met behulp van een parallelle plaatcondensator, ze blootgestelde "hangende" druppeltjes gevormd uit hydrofobe capillairen reageren op uniforme elektrische velden. De concurrentie tussen hun gewicht en de elektrische kracht deed de hangende druppeltjes kantelen, die hun aanklacht onthulden.

Volgende, ze gebruikten een elektrometer - die ladingen tot een paar elektronen kon meten - om de lading te meten van de waterreservoirs waaruit de druppeltjes werden teruggetrokken. Ze ontdekten dat als een waterdruppel wordt onttrokken met behulp van een hydrofoob capillair, het waterreservoir krijgt een gelijke en tegengestelde negatieve lading. Dit is niet het geval wanneer u een glazen capillair gebruikt.

"Van deze experimentele resultaten, we konden afleiden dat deze hydrofobe oppervlakken een negatieve oppervlaktelading droegen, zelfs in de lucht, wat nogal contra-intuïtief is, " legt Nauruzbayeva uit. "Wanneer het oppervlak in water wordt geplaatst, positieve ionen worden ernaartoe aangetrokken en negatieve ionen worden afgestoten. Hydrofobiciteit zorgt ervoor dat de vloeistof van het oppervlak vertrekt zonder een film achter te laten."

"Deze ontdekking is geboren uit een diep begrip van de wetenschappelijke concepten in combinatie met eenvoudige wetenschappelijke elegantie, " zegt Santamarina. Mishra is het ermee eens door te concluderen dat "de kracht van onze bijdrage in de eenvoud ligt."