Diferencias de humectabilidad macroscópica de diferentes caras de cristal de α-Al2O3 y diagramas esquemáticos para ilustrar el mecanismo a nivel molecular. (a) La alúmina policristalina es altamente hidrófila, mientras que el cristal de α-Al2O3 se enfrenta a (11-20), Las orientaciones (10-10) y (0001) son hidrófilas, pero la cara de cristal (1-102) es hidrófoba (el recuadro muestra la imagen óptica de una muestra de α-Al2O3 de monocristal plano de espejo). Los diagramas esquemáticos muestran la estructura compuesta de las moléculas de agua interfaciales adsorbidas y los átomos sólidos expuestos. Las orientaciones de las moléculas de agua darán como resultado dos estados típicos que ofrecen dos pares de electrones solitarios (b-d) o un átomo de hidrógeno (e) en la posición más alta, cuales, Sucesivamente, resultar en hidrofílico e hidrofóbico, respectivamente. Crédito:Science China Press
En 1805, Thomas Young estudió el equilibrio mecánico en la línea de contacto trifásico sólido / líquido / gas (el equilibrio de fuerzas que actúan sobre la línea de contacto formada por la intersección de la interfaz líquido-gas y la superficie sólida), e introdujo el concepto macroscópico de "ángulo de contacto" y la ecuación de Young. Basado en los supuestos de un isótropo, superficie homogénea y lisa, La ecuación de Young da la relación entre el ángulo de contacto intrínseco de la superficie sólida y la energía libre interfacial en la línea de contacto trifásico sólido / líquido / gas.
Sin embargo, es difícil obtener una superficie tan perfecta en la realidad, y las superficies suelen ser heterogéneas. Aunque la superficie macroscópica es lisa, la superficie microscópica tiende a ser caótica. El ángulo de contacto obtenido de esta manera no puede llamarse ángulo de contacto intrínseco.
Para explorar la humectabilidad intrínseca de los materiales, el equipo del Prof. Xiaolin Wang de la Universidad de Wollongong y el Prof. Lei Jiang y el Prof. Tian Ye de la Academia China de Ciencias estudiaron conjuntamente el comportamiento de humectabilidad de diferentes caras de cristal de zafiro (α-Al 2 O 3 ) monocristales. Los resultados relacionados se publicaron en el Revista Nacional de Ciencias (NSR) con el título "Humectabilidad intrínseca dependiente de la cara de cristal de las superficies de óxido metálico".
La superficie de la alúmina es hidrofílica, y el ángulo de contacto de la superficie policristalina de alúmina es de aproximadamente 10 grados. Durante el experimento, Los investigadores se sorprendieron al descubrir que los ángulos de contacto intrínsecos de los cuatro α-Al 2 O 3 los monocristales con diferentes caras de cristal son mucho mayores de 10 grados, y el ángulo de contacto de la cara del cristal (1-102) es muy cercano a 90 grados. El estudio anterior en nuestro grupo había demostrado que el límite hidrofílico e hidrofóbico intrínseco del material de la superficie es de aproximadamente 65 grados, por lo que la superficie del cristal (1-102) es hidrófoba.
A través de la simulación DFT de las estructuras de las moléculas de agua interfaciales adsorbidas en diferentes caras de cristal, se encontró que comparado con hidrofílico (11-20), (10-10) y (0001) caras de cristal, las moléculas de agua adsorbidas en la cara del cristal (1-102) están en un estado de reposo; es decir, los átomos de hidrógeno de la cara del cristal hidrófobo se encuentran en el punto más alto de la primera capa de agua adsorbida. Por lo tanto, Las moléculas de agua de las gotas de agua en la línea de contacto trifásica solo pueden formar un enlace de hidrógeno con un átomo de hidrógeno. Dado que la interacción de un enlace de hidrógeno es relativamente débil, la línea de contacto trifásica se ancla fácilmente. Pero en las caras de cristal hidrofílico, los átomos de oxígeno de la molécula de agua interfacial adsorbida están en el punto más alto. En este caso, hay dos pares solitarios de electrones de un átomo de oxígeno para formar dos interacciones de enlace de hidrógeno con moléculas de agua de gotas de agua en la línea de contacto de tres fases. Por eso, la línea de contacto de tres líneas es más fácil de extender.
Este trabajo comenzó a partir de la interfaz de cristal de alúmina plana a nivel atómico y demostró que la orientación de las moléculas de agua interfaciales adsorbidas tiene un gran impacto en la humectabilidad macroscópica de superficies sólidas con la composición química similar (aluminio y oxígeno) y casi sin estructura topográfica (atómicamente plana ). Este trabajo se centra en el estudio de la humectabilidad intrínseca de la interfaz sólida, que puede proporcionar inspiraciones para mejorar la eficiencia catalítica, preparar excelentes materiales funcionales, y mejorar el rendimiento de los dispositivos compuestos.
