Закон Кэссис - Cassies law

Закон Кэсси, или Уравнение Кэсси, описывает эффективный угол контакта θ_c для жидкости на химически неоднородной поверхности, т.е. поверхности композитный материал состоящий из разного химического состава, неоднороден во всем.^[1] Углы смачивания важны, так как они определяют количество поверхностей. смачиваемость, природа межмолекулярных взаимодействий твердое тело-жидкость.^[2] Закон Кэсси предназначен для случаев, когда жидкость полностью покрывает оба гладкий и грубый неоднородные поверхности.^[3]

Состояние Кэсси-Бакстер. Капля воды, покоящаяся на неоднородной поверхности (песке), образует контактный угол, здесь ${\displaystyle \theta _{c}=145.22^{\circ }}$

Формула, встречающаяся в литературе для двух материалов, больше похожа на правило, чем на закон;

${\displaystyle \cos \theta _{c}=\sigma _{1}\cos \theta _{1}+\sigma _{2}\cos \theta _{2}}$

куда ${\displaystyle \theta _{1}}$и ${\displaystyle \theta _{2}}$ - краевые углы для компонентов 1 с дробной поверхностью площадь ${\displaystyle \sigma _{1}}$, и 2 с дробной площадью поверхности ${\displaystyle \sigma _{2}}$ в композитном материале соответственно. Если существует более двух материалов, уравнение масштабируется до общей формы;

${\displaystyle \cos \theta _{c}=\sum _{k=1}^{N}\sigma _{k}\cos \theta _{k}}$, с ${\displaystyle \sum _{k=1}^{N}\sigma _{k}=1}$.^[4]

Кэсси-Бакстер

Закон Кэсси приобретает особое значение, когда неоднородная поверхность представляет собой пористая среда. ${\displaystyle \sigma _{1}}$ теперь представляет площадь твердой поверхности и ${\displaystyle \sigma _{2}}$ воздушные зазоры, так что поверхность больше не будет полностью влажной. Воздух создает угол контакта ${\displaystyle 180^{\circ }}$и потому что ${\displaystyle \cos(180)}$= ${\displaystyle -1}$, уравнение сводится к:

${\displaystyle \cos \theta _{cb}=\sigma _{1}\cos \theta _{1}-\sigma _{2}}$, какой Кэсси-Бакстер уравнение.^[5]

К сожалению, термины Кэсси и Кэсси-Бакстер часто используются как синонимы, но их не следует путать. Уравнение Кэсси-Бакстера более распространено в природе и фокусируется нанеполное покрытие ' поверхностей только жидкостью. в Кэсси-Бакстер государство жидкости сидят на неровностях, в результате чего возникают воздушные карманы, ограниченные между поверхностью и жидкостью.

Однородные поверхности

Уравнение Кэсси-Бакстера не ограничивается только химически неоднородные поверхности, так как воздух внутри пористых однородных поверхностей сделает система неоднородный. Однако, если жидкость проникает в канавки, поверхность становится однородной, и ни одно из предыдущих уравнений нельзя использовать. В этом случае жидкость находится в Государство Венцеля, регулируется отдельным уравнением. Переходы между состоянием Кэсси-Бакстера и состоянием Венцеля могут происходить, когда к жидкости на поверхности применяются внешние стимулы, такие как давление или вибрация.^[6]

Происхождение уравнения

Когда капля жидкости взаимодействует с твердой поверхностью, ее поведение определяется поверхностным натяжением и энергией. Капля жидкости может растекаться бесконечно или находиться на поверхности, как сферический колпачок, в точке которого существует контактный угол.

Определение ${\displaystyle E}$ как изменение свободной энергии на единицу площади, вызванное растеканием жидкости,

${\displaystyle E=\sigma _{1}(\gamma _{s_{1}a}-\gamma _{s_{1}l})+\sigma _{2}(\gamma _{s_{2}a}-\gamma _{s_{2}l})}$

куда ${\displaystyle \sigma _{1}}$, ${\displaystyle \sigma _{2}}$- дробные площади двух материалов на неоднородной поверхности, и ${\displaystyle \gamma _{sa}}$и ${\displaystyle \gamma _{sl}}$межфазное напряжение между твердым телом, воздухом и жидкостью.

Краевой угол для неоднородной поверхности определяется выражением

${\displaystyle \cos \theta _{c}={\frac {E}{\gamma _{la}}}}$, с ${\displaystyle \gamma _{la}}$межфазное натяжение между жидкостью и воздухом.

Краевой угол, задаваемый уравнением Юнга, равен,

${\displaystyle cos\theta _{y}={\frac {\gamma _{sa}-\gamma _{sl}}{\gamma _{la}}}}$

Таким образом, подставляя первое выражение в уравнение Юнга, мы приходим к закону Кэсси для неоднородных поверхностей:

${\displaystyle \cos \theta _{c}=\sigma _{1}\cos \theta _{1}+\sigma _{2}\cos \theta _{2}}$^[1]

История закона Кэсси

Закон Юнга

Исследования, касающиеся угол контакта Существование между жидкостью и твердой поверхностью началось с Томас Янг в 1805 г.^[7] Уравнение Юнга

${\displaystyle cos\theta _{y}={\frac {\gamma _{sa}-\gamma _{sl}}{\gamma _{la}}}}$

Сценарии с различным углом контакта

отражает относительную силу взаимодействия между поверхностными натяжениями в трехфазном контакте и представляет собой геометрическое соотношение между энергией, полученной при формировании единицы площади поверхности раздела твердое тело-жидкость, и энергией, необходимой для образования границы раздела жидкость-воздух.^[1] Однако уравнение Юнга работает только для идеальный и настоящий поверхности и на практике большинство поверхностей микроскопически грубый.

Закон Кэсси

Государство Венцеля

В 1936 году Роберт Венцель модифицировал уравнение Юнга для учета шероховатых однородных поверхностей и параметра ${\displaystyle r}$ был введен, определяемый как отношение истинной площади твердого тела к его номинальной.^[8] Известное как уравнение Венцеля,

${\displaystyle \cos \theta _{w}=r\cos \theta _{y}}$

показывает, что кажущийся угол контакта, угол, измеренный при случайном осмотре, увеличится, если поверхность станет шероховатой. Жидкости с контактным углом ${\displaystyle \theta _{w}}$как известно, находятся в Государство Венцеля.

Кэсси-Бакстер государство

Понятие шероховатости, влияющей на угол смачивания, было расширено Кэсси и Бакстером в 1944 году, когда они сосредоточились на пористых средах, где жидкость не проникает в канавки на шероховатой поверхности и оставляет воздушные зазоры.^[5] Они разработали уравнение Кэсси-Бакстера;

${\displaystyle \cos \theta _{c}=\sigma _{1}\cos \theta _{1}-\sigma _{2}}$, иногда пишется как ${\displaystyle \cos \theta _{c}=\sigma _{1}(\cos \theta _{1}+1)-1}$ где ${\displaystyle \sigma _{2}}$ стал ${\displaystyle (1-\sigma _{1})}$.^[9]

Закон Кэсси

В 1948 году Кэсси уточнила это для двух материалов с разным химическим составом как на гладких, так и на шероховатых поверхностях, что привело к вышеупомянутому закону Кэсси.

${\displaystyle \cos \theta _{c}=\sigma _{1}\cos \theta _{1}+\sigma _{2}\cos \theta _{2}}$

Аргументы и противоречия

После открытия супергидрофобный Поверхности в природе и рост их применения в промышленности, изучение углов смачивания и смачивания широко подверглось пересмотру. Некоторые утверждают, что уравнения Кэсси более случайны, чем факт, поскольку при этом утверждается, что акцент следует делать не на дробных площадях контакта, а на самом деле поведения жидкости на линии трехфазного контакта.^[10] Они не утверждают, что никогда не используют уравнения Венцеля и Кэсси-Бакстера, но утверждают, что «их следует использовать со знанием своих недостатков». Однако дебаты продолжаются, поскольку этот аргумент был оценен и подвергнут критике, и был сделан вывод о том, что краевые углы на поверхностях может описываться уравнениями Кэсси и Кэсси-Бакстера при условии, что фракция поверхности и параметры шероховатости переинтерпретированы для принятия локальных значений, соответствующих капле.^[11] Вот почему Кэсси закон на самом деле больше правило.

Примеры

Широко признано, что водоотталкивающие свойства биологических объектов обусловлены уравнением Кэсси-Бакстера. Если вода имеет контактный угол между ${\displaystyle 0<\theta <90^{\circ }}$, тогда поверхность классифицируется как гидрофильная, тогда как поверхность, создающая угол контакта между ${\displaystyle 90^{\circ }<\theta <180^{\circ }}$ гидрофобен. В особых случаях, когда угол контакта ${\displaystyle 150^{\circ }<\theta }$, то он известен как супергидрофобный.

Эффект лотоса

Одним из примеров супергидрофобной поверхности в природе является Лист лотоса.^[12] Листья лотоса имеют типичный угол контакта ${\displaystyle \theta \sim 160^{\circ }}$, сверхнизкая адгезия к воде благодаря минимальным контактным площадям и свойство самоочищения, которое характеризуется уравнением Кэсси-Бакстера.^[13] Микроскопическая архитектура листа лотоса означает, что вода не проникает в наноскладку на поверхности, оставляя воздушные карманы внизу. Капли воды становятся взвешенными в состоянии Кэсси-Бакстера и могут скатываться с листа, собирая при этом грязь, таким образом уборка Листок.

Перья

Режим увлажнения Кэсси-Бакстера также объясняет водоотталкивающие свойства пенне (перьев) птицы. Перо состоит из топографической сети «зазубрин и бородок», а капля, которая оседает на них, находится в несмачиваемом композитном состоянии твердое тело-жидкость-воздух, где крошечные воздушные карманы задерживаются внутри.^[14]

Смотрите также

• Смачивание
• Ультрагидрофобность
• Угол контакта
• Гониометр
• Жидкая капля
• Эффект лотоса

Рекомендации

1. Кэсси, А. Б. Д. (1948). «Углы контакта». Обсуждения общества Фарадея. 3: 11. Дои:10.1039 / DF9480300011.
2. Хендерсон, Дж. Р. (20 мая 2000 г.). «Статистическая механика закона Кэсси». Молекулярная физика. 98 (10): 677–681. Bibcode:2000МолФ..98..677Ч. Дои:10.1080/00268970009483335.
3. Milne, A.J.B .; Амирфазлы, А. (январь 2012 г.). «Уравнение Кэсси: как оно должно использоваться». Достижения в области коллоидов и интерфейсной науки. 170 (1–2): 48–55. Дои:10.1016 / j.cis.2011.12.001. PMID  22257682.
4. Бертье, Жан; Сильберзан, Паскаль (2010). Микрофлюидика для биотехнологии (2-е изд.). Бостон: Artech House. ISBN  978-1-59693-444-3. OCLC  642685865.^{[страница нужна ]}
5. Кэсси, А. Б. Д .; Бакстер, С. (1944). «Смачиваемость пористых поверхностей». Труды общества Фарадея. 40: 546. Дои:10.1039 / tf9444000546.
6. Lopes, Daisiane M .; Рамос, Стелла М. М .; de Oliveira, Luciana R .; Момбах, Хосе К. М. (2013). «Переход от состояния смачивания от Кэсси-Бакстера к состоянию Венцеля: двумерное численное моделирование». RSC Advances. 3 (46): 24530. Дои:10.1039 / c3ra45258a.
7. «III. Очерк о сцеплении жидкостей». Философские труды Лондонского королевского общества. 95: 65–87. Январь 1805 г. Дои:10.1098 / рстл.1805.0005.
8. Мармур, Авраам (сентябрь 2003 г.). «Смачивание на гидрофобных шероховатых поверхностях: быть неоднородным или не быть?». Langmuir. 19 (20): 8343–8348. Дои:10.1021 / la0344682.
9. Научный, Биолин. «Влияние шероховатости поверхности на угол смачивания и смачиваемость» (PDF).
10. Гао, Личао; Маккарти, Томас Дж. (Март 2007 г.). «Как Венцель и Кэсси были неправы». Langmuir. 23 (7): 3762–3765. Дои:10.1021 / la062634a. PMID  17315893.
11. Макхейл, Г. (июль 2007 г.). «Кэсси и Венцель: они действительно так неправы?». Langmuir. 23 (15): 8200–8205. Дои:10.1021 / la7011167. PMID  17580921.
12. Закон, Кок-Йи (20 февраля 2014 г.). «Определения гидрофильности, гидрофобности и супергидрофобности: получение правильных основ». Письма в Журнал физической химии. 5 (4): 686–688. Дои:10.1021 / jz402762h. PMID  26270837.
13. Дарманин, Тьерри; Гиттар, Фредерик (июнь 2015 г.). «Супергидрофобные и суперолеофобные свойства в природе». Материалы сегодня. 18 (5): 273–285. Дои:10.1016 / j.mattod.2015.01.001.
14. Бормашенко, Эдуард; Бормашенко Елена; Штейн, Тамир; Уайман, Джин; Бормашенко, Эстер (июль 2007 г.). «Почему голубиные перья отталкивают воду? Гидрофобность пенне, гипотеза смачивания Кэсси – Бакстера и переход смачивания, вызванный капиллярностью Кэсси – Венцеля». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 311 (1): 212–216. Дои:10.1016 / j.jcis.2007.02.049. PMID  17359990.