Ultrahidrofobicidad
Las superficies superhidrofóbicas son altamente hidrófobas, i.e., extremadamente difíciles de humedecer.
[1] Esto también se conoce como el efecto loto, debido a que se presenta en las hojas de la superhidrofóbica planta de loto.
En 1805, Thomas Young define el ángulo de contacto θ mediante el análisis de las fuerzas que actúan sobre una gotita de fluido en reposo sobre una superficie sólida rodeada por un gas.
[2] θ puede ser medido usando un Goniómetro.
Wenzel determinado que cuando el líquido está en contacto íntimo con una superficie microestructurada, θ cambiará a
donde r es la relación del área real de la zona proyectada.
Una superficie hidrófoba (una que tiene un ángulo de contacto original mayor que 90°) se hace aún más hidrófoba cuando es microestructurada - su nuevo ángulo de contacto se hace mayor que el original.
Sin embargo, una superficie hidrófila (una que tiene un ángulo de contacto original de menos de 90°) se vuelve más hidrófila cuando es microestructurada - su nuevo ángulo de contacto se vuelve aún menos que el original.
[4] Cassie y Baxter encontró que si el líquido está suspendido en lo alto de microestructuras, θ cambiará a
donde φ es la fracción de área del sólido que toca el líquido.
[5] Los líquidos en el estado Cassie-Baxter son más móviles que en el estado Wenzel.
Se puede predecir si el existen el estado Wenzel o el Cassie-Baxter calculando el nuevo ángulo de contacto con ambas ecuaciones.
Por una minimización de argumento energía libre, la relación que predijo el menor nuevo ángulo de contacto es más probable el estado que exista.
Expresado matemáticamente, para que exista el estado de Cassie-Baxter, la desigualdad siguiente debe ser verdad.
[6] Un reciente criterio alternativos para el estado de Cassie-Baxter afirma que existe el estado Cassie-Baxter cuando se cumplen los 2 criterios siguientes: 1) las fuerzas de contacto de línea superan las fuerzas de cuerpo de peso gota sin apoyo y 2) Las microestructuras son lo suficientemente altas como para evitar que el líquido forme puentes de conexión entre las microestructuras tocando la base de las microestructuras.
[7] El ángulo de contacto es una medida de la hidrofobicidad estática, y la histéresis del ángulo de contacto y el ángulo de deslizamiento son medidas dinámicas.
La histéresis del ángulo de contacto es un fenómeno que caracteriza la heterogeneidad de la superficie.
Cuando la pipeta inyecta más líquido, la gotita aumentará en volumen, el ángulo de contacto se incrementará, pero su límite trifásico permanecerá estacionario hasta que de repente avanza hacia el exterior.
La gotita disminuirá en el volumen, el ángulo de contacto disminuye, pero su límite trifásico permanecerá estacionario hasta que de repente se aleja hacia el interior.
El ángulo de contacto que la gotita tenía inmediatamente antes de retroceder hacia el interior se denomina el ángulo de contacto del retroceso.
La diferencia entre el avance y retroceso de los ángulos de contacto se denomina histéresis del ángulo de contacto y se puede utilizar para caracterizar la heterogeneidad de la superficie, rugosidad, y movilidad.
Las superficies que no son homogéneas tendrán dominios que impiden el movimiento de la línea de contacto.
El ángulo de deslizamiento es otra medida dinámica de la hidrofobicidad y se mide mediante el depósito de una gota sobre una superficie y la inclinación de la superficie hasta que la gota comienza a deslizarse.
Los líquidos en el estado Cassie-Baxter generalmente presentan ángulos de deslizamiento inferior y el ángulo de contacto de histéresis que aquellos en el estado Wenzel.
Se puede utilizar un modelo simple para predecir la eficacia de una superficie artificial hecha por el hombre tanto micro o nano-fabricadas por su estado condicional (wenzel o cassie-baxter), ángulo de contacto y el ángulo de contacto de histéresis.
γ c o s (
donde Si Λ > Λc, las gotas se suspenden en el estado Cassie-Baxter.
De lo contrario, la gota se colapsará en el estado wenzel.
