Intermoleculaire krachten

Vanuit het oogpunt van de intermoleculaire kracht geeft een recente studie van onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen een nieuwe definitie van de wijze waarop vloeistoffen contact houden met vaste oppervlakken, ook wel bekend als bevochtigbaarheid.

De bevindingen werden op 8 februari gerapporteerd in Nano Research.

Bevochtigbaarheid is belangrijk bij het ontwerpen van materialen omdat het van invloed is op de manier waarop lagen zich aan elkaar hechten. Het “speelt een sleutelrol in vele sectoren, zoals de efficiëntie van katalytische reactie, scheiding, elektrodematerialen, en het ontwerp van bionische slimme materialen,” volgens onderzoeksauteur en professor Ye Tian van het Key Laboratory of Bio-inspired Materials and Interfacial Science. Slimme lagen zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt in sportkleding die reageert op vochtigheid door hun contact afhankelijk van de vochtigheid te veranderen.

Modellen van bevochtigbaarheid

Lage bevochtigbaarheid duidt op een vloeistof die zich niet verspreidt en een lage contacthoek met het oppervlak creëert, terwijl hoge bevochtigbaarheid een vloeistof beschrijft die zich verspreidt en een lage contacthoek met het oppervlak creëert. De vergelijking van Young, die een ideaal, volledig glad oppervlak simuleert, wordt traditioneel gebruikt om de bevochtigbaarheid te karakteriseren aan de hand van de contacthoek. Het oppervlak is hydrofiel of waterminnend als de waterdruppel een contacthoek van minder dan 90 graden maakt. Het oppervlak wordt als hydrofoob geclassificeerd als de waterdruppel een contacthoek van meer dan 90 graden maakt.

Het model van Young daarentegen heeft moeilijkheden wanneer het erom gaat het waargenomen gedrag van vloeistoffen in contact met vaste oppervlakken te begrijpen. Het kan bijvoorbeeld niet verklaren waarom de contacthoeken van water toenemen na het opruwen van oppervlakken, zoals gedetailleerd in een later model van Wenzel en Cassie. De onderzoekers keken ook naar de interacties van vaste oppervlakken ondergedompeld in zuivere vloeistoffen op moleculair niveau om meer te weten te komen over hoe intrinsieke bevochtigingsdrempels (IWT’s) – de punten waarop vloeistoffen zich verspreiden of parelen – werken. “Een aantal onderzoeken heeft aangetoond dat hydrofobe aantrekkingskracht kan optreden tussen apolaire oppervlakken en hydrofiele afstoting tussen de polaire oppervlakken in water,” zegt Tian.

Drempels voor intrinsieke bevochtiging

De onderzoekers onderzochten hoe bevochtigbaarheid de aantrekking of afstoting beïnvloedt van vaste stoffen die bestaan uit één-molecuul dikke lagen (zelf-geassembleerde monolagen, of SAM’s) in verschillende vloeistoffen. Om een reeks oppervlaktespanningen weer te geven, gebruikten zij water, ethyleenglycol (EG), dimethylsulfoxide (DMSA), en N,N-dimethylformamide (DMF) als de experimentele vloeistoffen. Met een atomaire-krachtmicroscoop maten zij de krommen van de adhesiekrachten tussen de SAM’s in elke vloeistof. Een Contact Angle System, een systeem dat de druppelvorm en de contacthoek met de vaste stof controleert en analyseert, werd gebruikt om de contacthoeken te bepalen voor druppels van 1 liter van elke vloeistof.

Uit de bevindingen bleek dat de intrinsieke nattedrempel (IWT) voor water zich voordeed bij een contacthoek van 65 graden met de vaste stof, in plaats van de 90 graden die door de vergelijking van Young werd voorspeld. Met andere woorden, 65° diende als scheidingslijn tussen hydrofiel en hydrofoob gedrag, als gevolg van veranderingen in de waterstofbrugnetwerken van water aan weerszijden van de drempel. Zij ontdekten ook veranderingen in de adhesiekrachten tussen de waterige laag en de harde oppervlakken (SAM’s) bij een contacthoek van ongeveer 65 graden. “We hebben bevestigd dat de IWT voor zuiver water ruwweg 65 graden is vanuit het perspectief van de interactiekrachten tussen symmetrische SAMs,” zegt Tian.

Hoewel de andere organische vloeistoffen geen waterstofbruggen hebben, werden de IWT’s bepaald door veranderingen in adhesiekrachten en contacthoeken tussen de harde oppervlakken (SAM’s) te onderzoeken. “Een nieuwe curve van de IWT’s, in tegenstelling tot de waarde bepaald door de vergelijking van Young, die kan worden gebruikt om vooruit te lopen op de IWT’s voor zuivere vloeistoffen met bekende oppervlaktespanningen,” aldus de bevindingen.

Te nemen volgende stappen

Gezien de belangrijke toepasbaarheid op het ontwerp van functionele materialen, willen de onderzoekers de mechanismen van bevochtiging op moleculair niveau blijven bestuderen. Zij zijn van plan om “een nieuw perspectief te bieden om de verbanden tussen bevochtigbaarheid en intermoleculaire kracht te begrijpen” nu de IWT’s zijn geherformuleerd met betrekking tot de historische vergelijking van Young, voorspelt Tian.

Deel dit