Met behulp van een reeks theoretische en simulatiebenaderingen, natuurkundigen van de Universiteit van Bristol hebben aangetoond dat vloeistoffen die in contact komen met substraten een eindig aantal gedragsklassen kunnen vertonen en de belangrijke nieuwe kunnen identificeren.

Hun bevindingen, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), daag de geaccepteerde wijsheid uit over gedrag in de bevochtigings- en droogfase.

De auteurs bieden een stevig conceptueel kader voor het afstemmen van de eigenschappen van nieuwe materialen, inclusief het vinden van superafstotende substraten, zoals het verdrijven van water uit voorruiten, evenals het begrijpen van hydrofobe interacties op de lengteschaal van biomoleculen.

Wanneer een vloeistof zoals water wordt afgestoten van een vast substraat, de gecreëerde druppel vertoont een grote contacthoek. Dit staat bekend als een hydrofobe toestand, of superhydrofoob als de contacthoek erg groot is, zodat de druppel een bijna bolvorm vormt.

Daarentegen, als het substraat de vloeistof voldoende sterk aantrekt - met andere woorden, een hydrofiel substraat - dit creëert een kleine contacthoek en de druppel verspreidt zich over het oppervlak.

Of een oppervlak hydrofoob of hydrofiel is, wordt bepaald door de mate van moleculaire aantrekking tussen het substraat en de vloeistof.

Het beheersen van de aantrekkingskracht is de sleutel tot de bevochtigbaarheid van substraten, die bepaalt hoeveel fysieke en biologische systemen functioneren. Bijvoorbeeld, bladeren van planten zijn vaak hydrofoob, waardoor ze droog blijven tijdens regen, zodat gasuitwisseling via hun poriën kan plaatsvinden. Echter, vloeistoffen zoals verf, inkten en smeermiddelen zijn nodig om uit te spreiden over gecoate of 'natte' oppervlakken.

Voortbouwend op vroege inzichten verkregen door voormalig Bristol Ph.D. student dr. Maria Stewart, Professor Bob Evans en professor Nigel Wilding pasten een aantal theoretische en simulatietechnieken toe op realistische vloeistofmodellen om de eigenschappen van hydrofobe en hydrofiele substraten te bestuderen.

Ze ontdekten rijk en onverwacht gedrag, zoals uiteenlopende dichtheidsfluctuaties geassocieerd met het fenomeen 'kritisch drogen' op een superhydrofoob substraat.

Professor Evans zei:"Het verduidelijken van de factoren die de contacthoek van een vloeistof op een vast substraat regelen, is een al lang bestaand wetenschappelijk probleem dat relevant is in de natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde. De vooruitgang werd belemmerd door het ontbreken van een alomvattend en uniform begrip van de fysica van faseovergangen van bevochtiging en drogen. Onze resultaten laten zien dat het karakter van deze overgangen gevoelig afhangt van zowel het bereik van vloeistof-vloeistof- en substraat-vloeistof-interacties als de temperatuur."

Professor Wilding voegde toe:"Ons werk heeft voorheen niet-herkende klassen van oppervlaktefasediagrammen blootgelegd waartoe de meeste experimentele en simulatiestudies van vloeistoffen in contact met een substraat behoren. Een bijzonder interessant kenmerk heeft betrekking op water in de buurt van superhydrofobe substraten, waar men het fenomeen van 'kritische drogen' als θ → 180 °. Dit wordt gesignaleerd door uiteenlopende dichtheidsfluctuaties die leiden tot rijke structurele eigenschappen, waaronder fractale opstellingen van dampbellen nabij het substraat."