Slapināšana

Slapināšana ir šķidruma spēja saglabāt kontaktu ar cietu virsmu, kā rezultātā rodas bezgalīga mijiedarbība, kad abas virsmas saskaras. Slapināšanas pakāpi nosaka, vadoties pēc spēku līdzsvara starp saķeres spēku un saistvielu spēkiem. Slapināšana pēta trīs materiālu fāzes: gāzes, šķidrumus un cietvielas. Tagad slapināšana ir uzmanības centrā nanotehnoloģiju un nanozinātnes studijām daudzo nanomateriālu attīstības dēļ pēdējo 20 gadu laikā (piemēram, oglekļa šķiedra un oglekļa nanocaurulītes).
Slapināšana ir svarīga divu materiālu salipšanai vai atgrūšanai. Slapināšanas un virsmas spēki, kas kontrolē slapināšanu, atbild arī par citiem saistītiem efektiem, ieskaitot kapilāro iedarbību. Neatkarīgi no slapināšanas daudzuma, piliena forma uz cietas virsmas ir aptuveni nošķelta sfēra. Var būt dažādas slapināšanas pakāpes.

Augstas enerģijas virsmas pret zemas enerģijas virsmām

Ir divu galvenie cietvielu virsmu tipi, ar kurām šķidrumi var mijiedarboties. Tradicionāli, cietvielu virsmas ir iedalītas augstas enerģijas cietvielās un zemas enerģijas cietvielās. Cietvielas, tādas kā metāls, stikls un keramika, ir augstas enerģijas cietvielas, jo ķīmiskās saites, kas tur tos kopā (kovalentās, jonu vai metāla), ir ļoti spēcīgas un prasa daudz enerģijas to saraušanai. Lielākā daļa molekulāro šķidrumu pilnīgi slapina augstas enerģijas virsmas.
Citu veidu cietvielām ir vāji molekulu kristāli (fluorogļūdeņraži, ogļūdeņraži), kur molekulas turas kopā galvenokārt ar fizisko spēku (Van der Vālsa un ūdeņraža saites). Tā kā šīs cietvielas satur vājas saites pietiek pievadīt maz enerģijas, lai pārrautu šīs saites, tāpēc tās tiek sauktas par zemas enerģijas cietvielām. Atkarībā no izvēlētā šķidruma tipa virsmas var tikt pilnīgi vai daļēji slapinātas.

Ideālas cietas virsmas

Ideāla cieta virsma ir tā, kas ir perfekti līdzena, stingra, plakana ķīmiski homogēna un kontakta leņķis ir nulle. Nulles histerēze (definīcija: Fizikālās sistēmas reakcija pret ārējo iedarbību atkarībā no tā, vai šī mijiedarbība parādās pirmo reizi vai ir bijusi arī agrāk.) nozīmē, ka piliena leņķi abās pusēs ir vienādi. Turklāt uz ideālas virsmas piliens atgriezīsies oriģinālajā formā, pēc fiziskās iedarbības noņemšanas.  Turpmākie vienādojumi būs precīzi tikai ideālām virsmām un ir derīgi, ja virsmas un piliens nekustas un fāzes robežlīnijā pastāv līdzsvars.

Prekursora plēve

Ar augstas izšķirtspēju attēlu parādīšanos, zinātnieki sāka iegūt eksperimentālos datus, kuri viņus noveda pie jautājuma par Keisija-Bakstera vienādojumu, kad tiek aprēķināts šķietamais kontakta leņķis. Šī grupiņa zinātnieku pieņēma, ka šķietamais kontakta leņķis ir lielā mērā atkarīgs no trīskāršās līnijas, kura ir kontaktā ar heterogēno (nelīdzeno) virsmu, kura nevar balstīties uz nelīdzeno virsmu kā rakstīts teorijā. Teorijā pilienam būtu jāseko virsmas nelīdzenumam. Šīs trīskāršās līnijas locīšanās ir nelabvēlīga un nav novērojama reālās dzīves situācijās. Teorija, kas saglabā Keisija-Bakstera vienādojumu, kamēr tajā pašā laikā izskaidro trīskāršās līnijas locīšanās minimizētās enerģijas klātbūtnes stāvokli ar prekursora plēves ideju. Šī submikrometra biezuma plēvīte izvirza priekšā piliena kustību trīskāršās līnijas tuvumā. Turklāt šī prekursora plēve atļauj trīskāršajai līnijai locīties un ieņemt dažādas formas, kas sākotnēji tika uzskatīts, ka tas nav vēlams. Prekursora šķidrums ir novērots izmantojot vides skenēšanas elektronu mikroskopu (ESEM) virsmās, kurās ir poras. Ar prekursora plēves koncepta ievadu, trīskāršā līnija var sekot enerģētiski mainīgai uzbūvei un tomēr pareizi izskaidrot Keisija-Bakstera modeli.

„Ziedlapas efekts pret „Lotosa efektu’’

Raksturīgā virsmas hidrofobija var tikt uzlabota sadalot virsmas tekstūru dažādos garumos un nelīdzenuma mērogos. Sarkanā roze izmanto šo priekšrocību izmantojot mikro un nanomikrostruktūras hierarhiju uz katras ziedlapas nodrošinot pietiekošu raupjumu superhidrofobijai. Precīzāk katrai rozes ziedlapai ir vesels kopums mikrokārpiņu uz virsmas un katra kārpiņai savukārt ir daudz nanokrokas. Termins „Ziedlapas efekts” apraksta faktu, ka ūdens piliens uz rozes ziedlapas virsmas ieņem sfērisku formu un nevar novelties no ziedlapas pat, ja tā ir „kājām gaisā”. Ūdens piliens saglabā sfērisko formu, ziedlapas superhidrofobitātes dēļ (kontakta leņķis apmēram 152.4°), bet nenovelsies, jo ziedlapas virsmai ir liels saistīšanās spēks ar ūdeni.
Kad salīdzina „ziedlapas efektu” ar „lotosa efektu” ir svarīgi atzīmēt pāris pārsteidzošas atšķirības. Virsmas struktūra lotosa ziedlapai un rozes ziedlapai var tikt izmantots, lai izskaidrotu divus dažādus efektus. Lotosa ziedlapai ir viendabīgi raupja virsma un maza kontaktu leņķu histerēze, kura nozīmē, ka ūdens piliens nevar slapināt mikrostruktūras krokas. Tas ļauj gaisam palikt krokās, izraisot heterogēnu virsmu no šāda sastāva: gaisa un cietvielas. Kā rezultātā saistīšanās spēks starp ūdens un cietvielas virsmu ir ļoti mazs, ļaujot ūdenim novelties viegli (tā ir „pašattīrīšanās parādība”).
No otras puses rozes ziedlapas mikro- un nanostruktūra ir lielāka mērogā kā lotosa lapas, kas ļauj šķidruma plēvei piepildīt struktūru. Lai gan šķidrums var iekļūtu lielāka mēroga krokās, bet tas nevar iekļūt mazākās krokās. Šis ir zināms kā Keisija piesātinātās slapināšanas režīms. Kad šķidrums var slapināt lielāka mēroga krokas, saistīšanās spēks starp ūdeni un cietvielu ir ārkārtīgi liels. Tas izskaidro kāpēc ūdens piliens nenokritīs pat, ja ziedlapa ir sasvērta jebkādā leņķī vai apgriezta otrādi. Kaut gan šis efekts izgāžas pie nosacījuma, ja ūdens piliena tilpums ir lielāks par 10 µl, jo balanss starp svaru un virsmas spraigumu ir pārsniegts.