Учёные из Института промышленной науки Токийского университета впервые раскрыли механизмы взаимодействия нанокапель воды с различными поверхностями на молекулярном уровне. Результаты исследования, опубликованные в авторитетном журнале Nature Physics, проливают свет на природу линейного натяжения — силы, значение которой становится критически важным именно в нанометровом масштабе.
Поведение привычных нам капель воды давно изучено: на гидрофобных покрытиях вроде тефлона жидкость стремится принять форму сферы и легко скатывается, тогда как на чистом стекле она растекается тонким слоем. Тем не менее, в наноразмерном мире классические физические модели не всегда справляются с описанием наблюдаемых процессов. В частности, долгое время оставалось загадкой, почему линейное натяжение способно изменять знак при полном смачивании поверхности.
Для решения этой задачи исследователи применили метод молекулярной динамики, проведя серию компьютерных экспериментов. Ученые детально проанализировали организацию молекул воды в процессе растекания капли, сравнивая поверхности с различными характеристиками смачиваемости и вычисляя параметры линейного натяжения.
Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета проводят компьютерные эксперименты, чтобы отследить, как нанокапли воды смачивают поверхности. Источник: Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
Ведущий автор работы Мохд Моид (Mohd Moid) пояснил, что в жидкой фазе молекулы воды формируют локальную тетраэдрическую структуру, где каждая молекула временно связана примерно с четырьмя соседями. Выяснилось, что при полном смачивании эта упорядоченность нарушается вблизи границы капли, что и приводит к смене знака линейного натяжения.
Кроме того, были проведены расчеты для случая двухслойного льда на гидрофильной поверхности. Эксперимент показал, что в таких условиях лёд не растекается, невзирая на химическую природу подложки. Это открытие подтверждает, что локальная структура самой воды может оказывать доминирующее влияние на поведение жидкости, зачастую перевешивая химические свойства материала.
Команда ученых убеждена, что внутреннее молекулярное устройство жидкого слоя является одним из фундаментальных факторов, определяющих смачиваемость. Полученные данные открывают перспективы для разработки передовых методов управления взаимодействием жидкостей с поверхностями, что найдет применение в микроэлектронике, биологических системах и создании инновационных неорганических материалов.
