Несмачивание, полное смачивание, гидрофильность, гидрофобность.

Несмачивание. (θ>90). В этом случае удельная поверхностная энергия σ_тж на границе тв-ж больше, чем на границе тв-газ (σ_тг<σ_тж). Физический смысл этого неравенства заключается в том, что самопроизвольное растекание жидкости по данной твёрдой поверхности термодинамически невозможно. Из закона Юнга при σ_тг<σ_тж имеем cosθ<0, θ>90. Поверхности, не смачиваемые водой называются гидрофобными. Капля воды на парафине имеет краевой угол 105-108, на тефлоне 120-130.

Смачивание. (θ<90). При смачивании поверхностная энергия σ_тж на границе жидкости с твёрдой поверхностью меньше поверхностной энергии σ_тг: σ_тг>σ_тж. Тогда в соответствии с законом Юнга имеем cos θ>0, θ<90. Смачиваемые поверхности называются гидрофильными. Пример – оксидная плёнка на поверхности металла. На окисленном Al или Zn краевой угол для воды 60-65.

Полное смачивание или растекание. (θ=0). Этот случай реализуется при выполнении условия σ_тг>σ_тж+σ_жг. Тогда правая часть уравнения Юнга (σ_тг-σ_тж)/σ_жг>1. Это означает, что равновесный краевой угол сформироваться не сможет. При этом условии капля растекается по твёрдой поверхности и превращается в плоскую тонкую плёнку. Толщина их примерно составляет 1-10 нм. Пример – ртуть в контакте с неокисленной поверхностью Zn или Pb.

Правило Антонова

Поверхностное натяжение на границе двух жидкостей зависит от поверхностных натяжений жидкостей 1 и 2 на границе с газом. При определённых условиях (ограниченная растворимость жидкостей 1 и 2 друг в друге, отсутствие реакций между ними, низкое давление насыщенного пара) поверхностное натяжение на границе двух жидкостей подчиняется правилу Антонова: σ₁₂=σ₁-σ₂.

При выполнении указанных выше условий правило Антонова можно применять и для контакта жидкости с твёрдой поверхностью.

Эффект Марангони

Эффект Марангони – растекание жидкости с меньшим поверхностным натяжением на поверхности жидкости с большим поверхностным натяжением. Под этим эффектом понимают движение в поверхностных слоях, вызываемое градиентом поверхностного натяжения. Обычно неоднородность поверхностного натяжения обусловлено различием состава и температуры в различных точках межфазной поверхности. Течение происходит из области малых в область больших поверхностных натяжений вследствие самопроизвольного уменьшения энергии Гиббса поверхности.

Скорость ньютоновского течения раствора в межфазном слое: ϑ=k(dσ/dc)Δc,

Где k – коэффициент пропорциональности; Δc – разность концентраций в поверхностном слое.

Отсюда следует, что скорость поверхностного течения раствора тем выше, чем больше поверхность активного растворённого вещества и чем больше разность концентраций в направлении движения.

Примеры: нанесение в центр капли воды капли спирта, в результате чего происходит разрыв капли; если на спички, собранные по центру тарелки капнуть мыльную воду, то спички переместятся к краю; растекание нефти по поверхности воды.

Зависимость смачивания от свойств твёрдой поверхности

Влияние шероховатости

Реальные подложки не бывают гладкими. У них имеются наноразмерные выступы. Из-за этого реальная площадь шероховатой поверхности несколько больше идеально гладкой. Отношение Ω_ш/Ω₀=k называется коэффициентом шероховатости. Для многих твёрдых поверхностей (для полированных, шлифованных) k=1,05-1,15. Поэтому, сопоставив с законом Юнга, имеем:

cosθ_ш=kcosθ (1)

Уравнение (1) называется уравнением Винцеля-Дирягина. Из него следует, что для смачиваемых жидкостей (cosθ>0) шероховатость приводит к уменьшению краевых углов (cosθ_ш>cosθ). А в случае несмачивания – наоборот. Характерный пример – ворсинки на перьях водоплавающих птиц значительно увеличивают шероховатость их поверхности; это способствует тому, что перья практически не смачиваются водой.

Влияние химической неоднородности поверхности

Рассмотрим случай, когда твёрдрая поверхность представляет собой мозаику, состоящую из небольших участков 2 типов А и В. φ – доля площади, занимаемая веществом А, (1-φ) – доля В. Удельная поверхностная энергия твёрдого тела на границе с газом σ_тг и со смачиваемой жидкостью σ_тж состоит из вкладов поверхностных энергий каждого материала. Тогда из уравнения Юнга получим уравнение для краевых углов (θ_II) для неоднородной бинарной поверхности:

cosθ_II=φcosθ_A+(1-φ)cosθ_B (1)

Где θ_A и θ_B – краевые углы данной жидкости на однородных твёрдых поверхностях А и В соответственно.

Уравнение (1) называется уравнением Ребиндера-Кассье. Оно показывает, что по краевым углам можно получить информацию о химическом составе поверхностей, например из отношения площадей, занимаемых полярными и неполярными группами на поверхности биополимеров.

Влияние деформации