К.Ю.Богданов,
школа №1326, г. Москва
Kbogdanov@mtu-net.ru
Где собака зарыта?
| Открываем серию статей «Где собака зарыта?», в которой будем отвечать на, казалось бы, простые вопросы, чтобы найти и почувствовать законы физики в обыденных явлениях. Присылайте свои вопросы – попробуем ответить. |
1. Почему капустные листья всегда чистые?
Непростые отношения существуют между жидкостью и поверхностью твёрдого тела. Капли воды, например, «любят» ветровое стекло автомобиля и, скатываясь с него, оставляют на нём длинные мокрые полосы, а вот на поверхности листа лотоса или капусты оставить след им не удаётся. Неравнодушны друг к другу и твёрдые материалы, и это определяет, как легко их можно спаять, сварить, склеить или покрасить. Оказалось, что «взаимные чувства» материалов зависят от параметров явлений смачивания и адгезии, к знакомству с которыми мы и переходим.
Всё дело в смачивании.
Смачивание – явление, возникающее при
соприкосновении жидкости с поверхностью
твёрдого тела или другой жидкости, и являющееся
результатом межмолекулярного взаимодействия в
зоне этого контакта. Оно выражается, в частности,
в растекании жидкости по твёрдой поверхности,
находящейся в контакте с газом или другой
жидкостью, пропитывании пористых тел и порошков,
искривлении поверхности жидкости при контакте с
поверхностью твёрдого тела. Смачивание
определяет форму капли на твёрдой поверхности, а
мерой смачивания служит краевой угол 
между смачиваемой
поверхностью и поверхностью жидкости на
периметре смачивания: когда < 90°, говорят, что жидкость
смачивает поверхность, а когда > 90° — не смачивает.
Краевой угол зависит от соотношения
сил сцепления молекул жидкости с молекулами или
атомами смачиваемого тела (адгезия) и сил
сцепления молекул жидкости между собой (когезия).
Если молекулы жидкости притягиваются друг к
другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела,
жидкость стремится собраться в капельку. Если же,
наоборот, молекулы жидкости притягиваются друг к
другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела,
жидкость «прижимается» к поверхности,
расплывается по ней. Поверхность, на которой
жидкость растекается, называют лиофильной (от
греч. – 
– разбираю
на части + 
– люблю
– любящая растворение) по отношению к данной
жидкости. В тех же случаях, когда растекания не
происходит, поверхность называют лиофобной (от
греч. – + 
– страх – боящаяся растворения).
Измеряя величину угла , оценивают лиофильность и лиофобность
поверхностей по отношению к различным жидкостям.
Значение смачиваемости во многих технологических процессах, явлениях живой и неживой природы и в быту трудно переоценить. Хорошее смачивание необходимо при стирке, крашении, склеивании, пайке, создании гидроизоляционных материалов и т.д. На явлении смачивания основана флотация – один из основных методов обогащения минеральных руд, – а также многие другие технологические процессы. Эффективными регуляторами смачивания являются поверхностно-активные вещества.
Коэффициент поверхностного натяжения определяет смачиваемость. Так как с площадью поверхности жидкости связана потенциальная энергия сил поверхностного натяжения, то жидкость, стремясь к минимуму потенциальной энергии, всегда старается сделать эту площадь меньше. Известно, что шар обладает минимальной площадью поверхности из всех фигур такого же объёма. Поэтому, если на каплю жидкости не действуют никакие внешние силы или она свободно падает, то она принимает форму шара, как это происходит, например, в космосе. И чем больше коэффициент поверхностного натяжения жидкости, тем с большей силой она стремится минимизировать свою поверхность при прочих равных условиях.
Потенциальной энергией
поверхностного натяжения обладают не только
молекулы жидкости, находящиеся на границе
жидкость–газ, но и молекулы твёрдого тела на
границе тело–жидкость и тело–газ. Поэтому,
когда капля жидкости попадает на поверхность
твёрдого тела, то задачу о минимизации
потенциальной энергии приходится решать
«троим»: твёрдому телу (Т), жидкости (Ж) и газу (Г).
Если адгезия жидкости и поверхности твёрдого
тела так высока, что для капли и поверхности
твёрдого тела становится энергетически выгодным
смачивать поверхность, даже увеличивая
потенциальную энергию сил поверхностного
натяжения на границе жидкость–газ, то капля
распластывается по поверхности твёрдого тела.
Это продолжается до тех пор, пока дальнейшее
расплющивание капли становится уже
энергетически невыгодным. При наступившем
равновесии соблюдается баланс горизонтальных
сил, растягивающих и сжимающих поверхность
капли, который позволяет вычислить величину
краевого угла по известным значениям
коэффициентов поверхностного натяжения 
ЖГ, ТЖ и ТГ:
Паять со знанием дела. Пайка возможна только в том случае, если припой смачивает соединяемые детали. Это происходит, если силы притяжения между атомами припоя и металла больше, чем между атомами внутри самого припоя. Если капля припоя не смачивает поверхность, то она не способна затекать в узкие зазоры между соединяемыми материалами. При наличии загрязнений соединяемых поверхностей адгезия припоя ухудшается и могут образовываться несмачиваемые зоны, что снижает качество пайки. Для устранения плёнки оксидов с поверхностей металлов и уменьшения сил поверхностного натяжения расплавленного припоя на границе металл–припой служат специальные материалы – флюсы. В электротехнике и радиоделе наиболее широко применяются флюсы на основе канифоли.
Флотация: силы поверхностного натяжения за работой. Большую роль играют силы поверхностного натяжения во флотации – широко распространённом способе обогащения различных руд. Метод флотации основан на использовании различной смачиваемости водой минералов, содержащихся в руде. Для этого изготовляют пульпу – смесь измельчённой руды и воды. В пульпу добавляют специальное химическое соединение, которое, взаимодействуя с искомым минералом, делает его поверхность лиофобной по отношению к воде (гидрофобной). После этого через пульпу пропускают пузырьки воздуха. Так как вода не смачивает минерал, подлежащий изъятию из руды, то он выталкивается из окружающей жидкости, прилипает к пузырькам воздуха и всплывает на поверхность, откуда и удаляется вместе с пеной.
Смачиваемость зависит от микроструктуры поверхности: эффект лотоса. Лотос – одно из прекраснейших водных растений на нашей планете. Его цветки не только изумительно красивы, но и чисты, даже если вода вокруг мутная и грязная. Листья и цветки не смачиваются водой, поэтому капли воды скатываются с них, как шарики ртути, смывая всю грязь. Даже каплям клея и мёда не удаётся удержаться на поверхности листьев лотоса. Кстати, такими же уникальными свойствами обладают листья не только лотоса, но и многих других растений, в частности, обыкновенной капусты.
Оказалось, что вся поверхность листьев
лотоса густо покрыта микропупырышками высотой
около 10 мкм, а
сами пупырышки, в свою очередь,
покрыты микроворсинками ещё меньшего размера
(см. с. 1). Исследования показали, что все эти
микропупырышки и микроворсинки «сделаны» из
воска, как и поверхность многих растений.
Известно, что воск плохо смачивается водой, но
одно только наличие воска на поверхности листьев
лотоса не может объяснить, почему
соответствующий краевой угол составляет более
160°, в то время как для листьев магнолии, которые
тоже покрыты воском, краевой угол равен лишь 54°.
Значит, именно пупырчатая структура поверхности
листьев лотоса значительно уменьшает их
смачиваемость, в три (!) раза увеличивая
соответствующий краевой угол. И вот почему.
Капля воды, попав на поверхность листа лотоса, похожую на массажную щётку, не проникает между микропупырышками, т.к. этому мешает большое поверхностное натяжение жидкости. Ведь для того, чтобы проникнуть между микропупырышками, капле надо увеличить свою поверхность, а это энергетически невыгодно. Поэтому капля «парит на пуантах», между которыми находятся пузырьки воздуха, а это значительно уменьшает силу адгезии между каплей и поверхностью листа. Значит, капле уже невыгодно растекаться и смачивать «колючую» поверхность, и она сворачивается в шарик, демонстрируя очень высокий краевой угол, как это изображено на рисунке.
Поверхность, аналогичная массажной микрощётке, уменьшает адгезию (прилипание) не только капель воды, но и любых частичек размером более 10 мкм, т.к. они касаются такой поверхности лишь в нескольких точках. Поэтому частички грязи, оказавшиеся на поверхности лотоса, либо сами сваливаются с него, либо увлекаются скатывающимися каплями воды, адгезия к которым у них гораздо больше, чем к колючей поверхности листа. Такое самоочищение называют эффектом лотоса. Похоже устроена поверхность крыльев бабочек и многих других насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они теряют способность летать.
Выведав у природы секреты, учёные смогли создать искусственные самоочищающиеся покрытия. Эффект лотоса используется для создания водоотталкивающих самоочищающихся покрытий и красок. Разрабатывается самоочищающееся ветровое стекло, внешняя поверхность которого покрыта микроворсинками. На таком стекле «дворникам» делать нечего. Совсем скоро появятся постоянно чистые автомобильные колёсные диски, а уже сейчас можно покрасить снаружи дом краской, к которой грязь не прилипает. У таких технологий большое будущее.