Un estudio reciente realizado por investigadores de la Academia de Ciencias de China redefine cómo los líquidos mantienen su contacto con superficies sólidas, también conocida como humectabilidad, desde una perspectiva de fuerza intermolecular.

Los hallazgos fueron publicados en Nano Research el 8 de febrero.

La humectabilidad es relevante para el diseño de materiales porque determina cómo se unen las capas. Según el autor del estudio y profesor Ye Tian del Laboratorio clave de materiales bioinspirados y ciencia interfacial, "desempeña un papel crucial en muchos campos, como la eficiencia de la reacción catalítica, la separación, los materiales de los electrodos y el diseño de materiales inteligentes biónicos". ." Por ejemplo, las capas inteligentes que cambian su contacto dependiendo de la humedad podrían usarse en prendas deportivas que se adaptan a la humedad.

Modelos de humectabilidad

Alta humectabilidad significa que una gota de líquido se esparce, creando un ángulo bajo de contacto con la superficie, mientras que baja humectabilidad describe un líquido que se resiste a esparcirse. Clásicamente, la humectabilidad, indicada por el ángulo de contacto, se caracteriza mediante la ecuación de Young, que modela una superficie ideal perfectamente lisa. Si la gota de agua se extiende hasta un ángulo de contacto inferior a 90 grados, la superficie se clasifica como hidrófila o amante del agua. Si la gota de agua forma un ángulo de contacto superior a 90 grados, la superficie se clasifica como hidrófoba.

Sin embargo, el modelo de Young tiene limitaciones para explicar el comportamiento observado de líquidos en contacto con superficies sólidas. Por ejemplo, no puede explicar por qué los ángulos de contacto con el agua aumentan después de que las superficies se vuelven rugosas, lo que se describió en un modelo posterior de Wenzel y Cassie. Los autores del estudio, además, investigaron las interacciones de las superficies sólidas inmersas en líquidos puros a nivel molecular para comprender mejor cómo los umbrales de humectación intrínseca (IWT), los puntos en los que los líquidos se esparcen o gotean. Tian dice que "una serie de estudios han encontrado que la atracción hidrofóbica puede existir entre las superficies apolares y la repulsión hidrofílica entre las superficies polares en el agua, es decir, los IWT deberían depender de las fuerzas intermoleculares".

Umbrales de humectación intrínseca

Los investigadores experimentaron con interacciones de sólidos compuestos por capas de una molécula de espesor (monocapas autoensambladas o SAM) en diferentes líquidos para observar cómo la humectabilidad afectaba su atracción o repulsión. Eligieron agua, etilenglicol (EG), dimetilsulfóxido (DMSA) y N,N-dimetilformamida (DMF) como líquidos de prueba para representar un rango de tensiones superficiales. Usando un microscopio de fuerza atómica, midieron las curvas de fuerza para las fuerzas de adhesión entre los SAM en cada líquido. Los ángulos de contacto se evaluaron para gotas de 1 μl de cada líquido mediante un sistema de ángulo de contacto, un dispositivo que mide la forma de la gota y el ángulo de contacto con el sólido.

Los resultados mostraron que para el agua, el umbral de humectación intrínseco (IWT) ocurrió en un ángulo de contacto de 65° con el sólido, no en los 90° predichos por la ecuación de Young. En otras palabras, 65° fue el punto de interfaz entre el comportamiento hidrofílico e hidrofóbico, que tiene que ver con las diferencias en las redes de enlaces de hidrógeno del agua a ambos lados del umbral. Además, encontraron diferencias en las fuerzas de adhesión entre la capa de agua y las superficies duras (SAMs) con la transición en un ángulo de contacto de aproximadamente 65°. Explica Tian, ​​"confirmamos que el IWT para agua pura es de aproximadamente 65° desde el punto de vista de las fuerzas de interacción entre SAM simétricas".

Los otros líquidos orgánicos carecen de enlaces de hidrógeno, pero aun así los IWT se obtuvieron observando los cambios en las fuerzas de adhesión entre las superficies duras (SAM) junto con los ángulos de contacto. Los resultados proporcionaron "una nueva curva de los IWT, a diferencia del valor definido por la ecuación de Young, que se puede usar para prejuzgar los IWT para líquidos puros con tensiones superficiales conocidas".

Próximos pasos

Los investigadores planean continuar estudiando los mecanismos de humectación a nivel molecular, dadas las importantes aplicaciones para el diseño de materiales funcionales. Habiendo redefinido los IWT en relación con la ecuación histórica de Young, esperan "brindar una nueva perspectiva para comprender las relaciones entre la humectabilidad y la fuerza intermolecular", predice Tian. + Explora más

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