Учёные раскрыли молекулярные тайны: почему вода ведёт себя по-разному на тефлоне и стекле

Компьютерное моделирование продемонстрировало, почему поведение нанокапель воды изменяется на различных поверхностях, а линейное натяжение может даже изменять свой знак

Исследователи из Института промышленной науки Токийского университета впервые установили, что происходит на молекулярном уровне, когда нанокапли воды контактируют с поверхностями. Работа, опубликованная в журнале Nature Physics, раскрывает природу линейного натяжения — силы, значимость которой становится очевидной только для объектов на нанометровом уровне.

Поведение обычных капель хорошо известно: на гидрофобных поверхностях, таких как тефлон, вода собирается в шарики и легко скатывается, тогда как на чистом стекле она образует тонкую пленку. Однако для нанокапель классическая теория не всегда применима. В частности, физики долго не могли понять, почему линейное натяжение при полном смачивании поверхности может менять знак.

Для исследования этого явления ученые провели серию компьютерных экспериментов с использованием метода молекулярной динамики, наблюдая, как молекулы воды организуются в процессе растекания. Исследователи сравнили поведение капель на поверхностях с различной смачиваемостью и вычислили величину линейного натяжения.

Как пояснил ведущий автор исследования Мохд Моид (Mohd Moid), в жидкой воде водородные связи формируют локальную тетраэдрическую структуру, где каждая молекула временно взаимодействует примерно с четырьмя соседями. Выяснилось, что при полном смачивании эта структура распадается вблизи границы капли, что и приводит к изменению знака линейного натяжения.

Дополнительные расчеты были проведены для двухслойного льда на гидрофильной поверхности. Учёные обнаружили, что такой лед не растекается, несмотря на химические свойства поверхности. Это указывает на то, что локальная структура воды может оказывать более значительное влияние на поведение жидкости, чем сама химия материала.

Авторы исследования полагают, что внутреннее строение жидкого слоя является одним из ключевых факторов, определяющих смачиваемость. Полученные результаты могут стать основой для новых методов управления взаимодействием жидкостей с поверхностями в биологических системах, микроэлектронике и неорганических материалах.