Smáčení reálných povrchů

Prezentace na téma: "Smáčení reálných povrchů"— Transkript prezentace:

1 Smáčení reálných povrchů
 - naměřený (makroskopický) úhel smáčení (na ideálním hladkém povrchu  =  Y z Youngovy rovnice) mikroskopický úhel smáčení

2 Hystereze kontaktního úhlu
index „a“ …advancing „r“ …retreating

3 Lyskonoh využívá hystereze kontaktního úhlu k nakrmení
10 cyklů/s 10 cm/s

4

5 Drsnost povrchu v rovnováze Wenzelova rovnice (Youngova rovnice)

6  >1 Drsnost povrchu Např. Např.

7 z parní fáze na pevný povrch  změna úhlu smáčení
Adsorpce na povrchu Snížení povrchové energie pevné látky v důsledku adsorpce molekul kapaliny z parní fáze na pevný povrch  změna úhlu smáčení Z vyhodnocení fotografie kapky kapaliny umístěné na zcela čistý povrch kovové desky byl zjištěn úhel smáčení 57. Povrchové napětí kapaliny je 62 mN m–1, pro mezifázové napětí kov-kapalina je udávána hodnota 22 mN m–1. (a) Rozhodněte, zda kapalina smáčí nebo nesmáčí kovovou desku. (b) Vypočítejte povrchovou energii tuhé látky (c) Jestliže byla kapka kapaliny umístěna na povrch téhož kovu, který byl po delší dobu vystaven působení ovzduší, zvětšil se úhel smáčení na 78. Jaký je povrchový tlak, způsobený adsorpcí na povrchu kovu? Úloha 2-22:  = 57 ℓg = 62 mN m–1 sℓ = 22 mJ m–2   = 78 (a) 0 <  = 57 < 90  kapalina dobře smáčí pevný povrch (b) (c) Povrchový tlak: (1) (2)

8 Heterogenita povrchu (Cassie-Baxterova rovnice)

9 Přechod z Casie-Baxterova do Wenzelova stavu
aplikací tlaku odpařováním kapek vibracemi aplikací elektrického napětí

10 Hierarchická struktura
superhydrofobní povrch  > 150°

11 Efekt lotosového listu výčnělky široké 10 až 20 μm, vysoké 10 až 15 μm
s vrcholovým úhlem ~ 170° pokryté šupinkami vosku ve tvaru jehliček o průměru 1 μm

12 kapka na hladkém povrchu
kapka na hrbolatém povrchu Technické aplikace: samočistící materiály povrchy staveb, oken, nádobí, komunikací rolety, slunečníky, plachty, stany

13 Stopkovýtrusné houby

14 Superhydrofobní oči hmyzu

15 Anti-Lotus efekt Je-li umístěna kapka suspenze nanočástic na pevný povrch o teplotě vyšší než její teplota varu, spodní partie kapky se ihned vypaří a na určitou dobu chrání zbytek kapky před dalším vypařováním. Kapka se tak vznáší na polštáři vlastní páry (Leidenfrostova kapka). Je-li pak pevný podklad nakloněn, kapka se začne pohybovat a nanočástice se z ní vylučují. Kapka tak za sebou zanechává stopu ve tvaru drátku tvořeném těsně uspořádanými nanočásticemi.

16 Salvinia efekt Superhydrofobní povrchy některých organismů jim umožňují udržet si pod vodou vzduchový film po několik dní či měsíců Salvinia molesta (nepukalka obtížná - kapradina)  rychle schnoucí plavky nebo nepromokavé oblečení voda vzduch list hydrofilní hydrofobní

17 Salvinia efekt Povrchy modelované podle této rostliny by mohly ušetřit až 10 % paliva - jedno procento z celosvětové spotřeby paliva. 

18 Dýchání pod vodou Pavouk vodouch stříbřitý Plastron:
mikroplastron makroplastron Plastron:  slouží jako zásobárna kyslíku  funguje jako fyzikální plíce, které umožňují přijímat kyslík z vody Pavouk vodouch stříbřitý

19 Sběrač Pro pouštní živočichy je klíčovým problémem šetření vodou a řada z nich vyvinula důmyslné triky, jak si v suchém prostředí obstarat něco k pití. Leskle černý brouk sběrač rosný (Onymacris unguicularis), žijící v Namibii, obývá duny nedaleko od moře. Ráno, když vítr přivane nad poušť mořskou mlhu, zaujme brouk zvláštní polohu s hlavou dole, zadečkem nahoře a doširoka roztaženýma nohama. Broukův krunýř je hrbolatý, střídají se voskem pokryté hydrofobní oblasti s hydrofilními vrcholky hrbolů. Hrboly mají průměr asi 500 μm a jsou vzdálené asi 500–1,500 μm. Povrch hydrofilních oblastí je hladký, hydrofobní oblasti jsou pokryté hexagonálně uspořádanými výčnělky o průměru asi 10 μm. Díky černé barvě jeho tělo vyzařuje teplo více nežli okolní písek, tím se sběrač ochlazuje pod teplotu rosného bodu a na jeho těle kondenzuje vzdušná vlhkost. Kondenzace vody začíná na hydrofilních místech (kapičky o průměru kolem 15 mikronů) a kapky rostou. Když kapka dosáhne kritické velikosti, kdy gravitace a účinek větru překonají kapilární síly, které váží kapku k povrchu, kapka se skulí do hydrofobní oblasti, která vede přímo brouku do úst. Každé ráno tento brouk vyleze na vrchol písečné duny a získá tak množství  vody o 12 % procentech své hmotnosti. Místní obyvatelé tento trik úspěšně napodobují a vyrábějí podobné „lapače mlhy“, aby nasbírali vodu sami pro sebe.

20 Námrazy na křídlech Voda dokáže z mírně skloněného podchlazeného superhydrofobního povrchu odskočit a odtéci bez jeho smočení ještě dříve, než se v ní stihnou vytvořit krystalizační jádra způsobující v podstatě okamžitou řetězovou proměnu v led. To funguje až do teploty -25 °C až -30 °C. Voda dokáže z mírně skloněného podchlazeného superhydrofobního povrchu odskočit a odtéci bez jeho smočení ještě dříve, než se v ní stihnou vytvořit krystalizační jádra způsobující v podstatě okamžitou řetězovou proměnu v led. To funguje až do teploty -25 °C až -30 °C.

21 osten větve paprsky s háčky Ptačí peří

22

23 Kormoráni

24 Kde se také najdou kormoráni?
„O naše bobry a velké ptáky musíme vytrvale pečovat“, hlásá ministr životního prostředí . Objednali si proto těsně před koncem roku tisíc kusů dámských kalhotek s bobrem a pánských trenek s ptákem jako součást zakázky na výrobu propagačních předmětů pro kampaň Česká příroda. ,

25 Motýlí křídla Hierarchické mikro- a nanostruktury
Adheze na superhydrofobních motýlích křídlech (b) je-li křídlo nakloněno dolů asi v 9° úhlu, kapka se snadno skutálí ve směru od těla (RO – radialoutward) (c) Na křídle které je skloněno nahoru (dokonce i úplně kolmo) je kapka “přišpendlena” Nishimoto Hierarchické mikro- a nanostruktury na povrchu motýlích křídel. Snímky periodického uspořádání překrývajících se mikrošupin a jemných lamel na šupinách tvořených nanoproužky.

26 Hmyz na hladině vody Jak se udrží?

27 Kdy se hmyz udrží na hladině?

28