Явление смачивания во многом определяется химической природой и топографией поверхности. Управляя этими двумя параметрами, ученые могут создавать материалы, по-разному взаимодействующие с жидкостями. По отношению к воде поверхности делятся на гидрофильные (смачиваемые) и гидрофобные (несмачиваемые). Количественно свойства поверхностей можно охарактеризовать краевым углом смачивания, который может изменяться в очень широких пределах. Например, если он стремится к 0°, то материал называется супергидрофильным и вода растекается по нему, а если этот угол больше 170°, то материал супергидрофобен.
Исследователи из Финляндии получили материал на основе кремниевой «нанотравы», поверхность которого имеет области с сильным контрастом смачивания. Также они описали ряд интересных явлений, происходящих на такой поверхности.
«Нанотрава» формируется в процессе глубокого ионного травления кремниевых пластин (рис. 1, 2). Она покрывается слоем фторполимера. Далее при помощи обычной фотолитографии часть поверхности освобождается от полимера, а открывшийся кремний окисляется. «Нанотрава» из оксида кремния проявляет супергидрофильные свойства, а покрытие из фторполимера придает ей супергидрофобность. Таким образом, простые традиционные методы позволяют получить на поверхности сложные рисунки из областей с различной смачиваемостью, причем с очень высоким разрешением.
Чем же замечательна такая поверхность? Во-первых, она позволяет контролировать форму капель воды, которая стремится расположиться на гидрофильной области. Например, можно сделать каплю в виде кольца (рис. 3). Если увеличить объем капли путем прикапывания жидкости, то она уже не сможет целиком уместиться на гидрофильной области и станет нависать над гидрофобной областью в центре, пока, наконец, не сформируется капля в виде линзы с пузырьком воздуха внутри. Расчеты показывают, что такая конфигурация энергетически невыгодна, однако из-за сильных различий в смачивании областей схлопывание происходит слишком быстро и воздух не успевает выйти наружу. Вместо воздуха внутрь можно поместить неполярную жидкость (рис. 4).
Другим интересным и многообещающим явлением является расщепление капель. Когда размер капли растет, она начинает вытесняться за пределы гидрофильной области под действием силы тяжести. Если гидрофобная область мала, то при достижении следующей гидрофильной области часть жидкости из капли перетекает в нее. Процесс всецело определяется геометрией гидрофильных областей и барьера (рис. 5). Авторы работы проиллюстрировали всё вышесказанное замечательными видеороликами.
Подобные расщепление и перемещение капель могут оказаться чрезвычайно полезными в области капельной микрофлюидики, а капли сложных форм будут востребованы для получения различных функциональных материалов.
Работа «Complex Droplets on Chemically Modified Silicon Nanograss» опубликована в журнале Advanced Materials.
