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Safiras mostram suas verdadeiras cores: não gostam de água
É difícil obter uma superfície tão perfeita na realidade, e as superfícies geralmente são heterogêneas. Embora a superfície macroscópica seja lisa, a superfície microscópica tende a ser caótica.
Por Science China Press - 13/10/2020



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 as faces do cristal de α-Al2O3 com orientações (11-20), (10-10) e (0001) são hidrofílicas, mas (1-102) a face do cristal é hidrofóbica (a inserção mostra a óptica imagem de uma amostra plana em 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 (bd) ou um átomo de hidrogênio (e) na posição mais alta, que, por sua vez, resultam em hidrofílico e hidrofóbico, respectivamente. Crédito: Science China Press

Em 1805, Thomas Young estudou o equilíbrio mecânico na linha de contato trifásica 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 equação de Young. Com base nas premissas de uma superfície isotrópica, 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.

No entanto, é difícil obter uma superfície tão perfeita na realidade, e as superfícies geralmente são 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.

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 2 O 3 ) cristais únicos. Os resultados relacionados foram publicados na National Science Review (NSR) com o título "Crystal Face Dependent Intrinsic Wettability of Metal Oxide Surfaces".

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, os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que os ângulos de contato intrínsecos de todos os quatro monocristais de α-Al 2 O 3 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 perto de 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, então a superfície do cristal (1-102) é hidrofóbica.

Por meio da simulação DFT das estruturas das moléculas de água interfaciais adsorvidas em diferentes faces de cristal, verificou-se que, em comparação com as faces de cristal hidrofílico (11-20), (10-10) e (0001), as moléculas de água adsorvidas em (1- 102) a face de cristal está em um estado parado; ou seja, 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 podem formar apenas 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 do cristal hidrofílico, os átomos de oxigênioda 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 ligação de hidrogênio com moléculas de água de gotículas de água na linha de contato trifásica. Conseqüentemente, a linha de contato de três linhas é mais fácil de espalhar.

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 materiais funcionais excelentes e melhorar o desempenho de dispositivos compostos.

 

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