p Diferenças de molhabilidade macroscópica de diferentes faces do cristal de α-Al2O3 e diagramas esquemáticos para ilustrar o mecanismo no nível molecular. (a) A alumina policristalina é altamente hidrofílica, enquanto o cristal de α-Al2O3 enfrenta com (11-20), (10-10) e (0001) as orientações são hidrofílicas, mas (1-102) a face do cristal é hidrofóbica (a inserção mostra a imagem óptica de uma amostra plana de espelho de α-Al2O3 de cristal único). Os diagramas esquemáticos mostram a estrutura composta de moléculas de água interfaciais adsorvidas e os átomos sólidos expostos. As orientações das moléculas de água resultarão em dois estados típicos, oferecendo dois pares de elétrons (b-d) ou um átomo de hidrogênio (e) na posição mais alta, que, por sua vez, resultam em hidrofílicos e hidrofóbicos, respectivamente. Crédito:Science China Press
p Em 1805, Thomas Young estudou o equilíbrio mecânico na linha de contato trifásico sólido / líquido / gás (o equilíbrio de forças atuando na linha de contato formada pela intersecção da interface líquido-gás e a superfície sólida), e introduziu o conceito macroscópico de "ângulo de contato" e a equação de Young. Com base nas suposições de um isotrópico, superfície homogênea e lisa, A equação de Young fornece a relação entre o ângulo de contato intrínseco da superfície sólida e a energia livre interfacial na linha de contato trifásica sólido / líquido / gás. p Contudo, é difícil obter uma superfície tão perfeita na realidade, e as superfícies são geralmente heterogêneas. Embora a superfície macroscópica seja lisa, a superfície microscópica tende a ser caótica. O ângulo de contato obtido desta forma não pode ser chamado de ângulo de contato intrínseco.
p Para explorar a molhabilidade intrínseca dos materiais, a equipe do Prof. Xiaolin Wang da Universidade de Wollongong e do Prof. Lei Jiang e do Prof. Tian Ye da Academia Chinesa de Ciências estudaram em conjunto o comportamento de molhabilidade de diferentes faces de cristal de safira (α-Al
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3 ) monocristais. Os resultados relacionados foram publicados no
National Science Review (NSR) com o título "Umectabilidade intrínseca dependente da face de cristal de superfícies de óxido de metal".
p A superfície da alumina é hidrofílica, e o ângulo de contato da superfície policristalina da alumina é de cerca de 10 graus. Durante o experimento, pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que os ângulos de contato intrínsecos de todos os quatro α-Al
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3 cristais únicos com faces de cristal diferentes são muito maiores do que 10 graus, e o ângulo de contato da face do cristal (1-102) é muito próximo a 90 graus. O estudo anterior em nosso grupo provou que o limite hidrofílico e hidrofóbico intrínseco do material da superfície é de cerca de 65 graus, portanto, a superfície do cristal (1-102) é hidrofóbica.
p Através da simulação DFT das estruturas das moléculas de água interfacial adsorvida em diferentes faces de cristal, verificou-se que, em comparação com hidrofílico (11-20), (10-10) e (0001) faces de cristal, as moléculas de água adsorvidas na face do cristal (1-102) estão em um estado estacionário; isso é, os átomos de hidrogênio da face do cristal hidrofóbico estão no ponto mais alto da primeira camada de água adsorvida. Portanto, as moléculas de água das gotículas de água na linha de contato trifásica só podem formar uma ligação de hidrogênio com um átomo de hidrogênio. Como a interação de uma ligação de hidrogênio é relativamente fraca, a linha de contato trifásica é facilmente ancorada. Mas nas faces de cristal hidrofílico, os átomos de oxigênio da molécula de água interfacial adsorvida estão no ponto mais alto. Nesse caso, existem dois pares solitários de elétrons de um átomo de oxigênio para formar duas interações de ligações de hidrogênio com moléculas de água de gotículas de água na linha de contato trifásica. Portanto, a linha de contato de três linhas é mais fácil de espalhar.
p Este trabalho partiu da interface de cristal de alumina plana em nível atômico e provou que a orientação das moléculas de água interfaciais adsorvidas tem um grande impacto na molhabilidade macroscópica de superfícies sólidas com composição química semelhante (alumínio e oxigênio) e quase nenhuma estrutura topográfica (atomicamente plana ) Este trabalho enfoca o estudo da molhabilidade intrínseca da interface sólida, que pode fornecer inspirações para melhorar a eficiência catalítica, preparar excelentes materiais funcionais, e melhorar o desempenho de dispositivos compostos.
