Hidrofobicidade em superfícies fractais ordenadas

Abstract

Quando observamos uma gota se espalhando sobre uma superfície, na verdade estamos observando o fenômeno de molhabilidade, que é a capacidade de um líquido se espalhar ou aderir a uma superfície sólida. Esse espalhamento é quantificado pelo ângulo de contato aparente formado entre a interface líquido-sólido e a superfície. Esse fenômeno tem sido amplamente estudado pela comunidade científica devido às suas diversas aplicações na tecnologia. Apesar de existir uma relação entre as propriedades de molhabilidade e os parâmetros geométricos de superfícies, não só lisas mas que apresentam fractalidade, e que são amplamente discutidas na literatura, ainda existem divergências sobre esse tema. Neste estudo, propomos um modelo teórico simples para descrever as propriedades de molhabilidade de uma gota de água em uma superfície estruturada hierarquicamente e testamos as previsões do modelo, bem como a dependência do estado de molhabilidade da gota em relação às condições iniciais, por meio de simulações do modelo de Potts de 3 estados. Demonstramos que, ao aumentar o nível de auto-similaridade n, o estado de molhabilidade estável da gota não é significativamente afetado, mas o ângulo de contato aumenta. Além disso, as simulações revelam a existência de estados metaestáveis nessas superfícies e demonstram que, à medida que n aumenta, a metaestabilidade se torna mais pronunciada. Por fim, concluímos que a dimensão fractal da superfície não é um bom preditor do ângulo de contato da gota.

Wettability is the ability of a liquid to spread or adhere to a solid surface, measured by the apparent contact angle formed at the liquid-solid interface. This phenomenon has attracted significant scientific interest due to its technological applications. Although wettability properties are related to the geometric parameters of both smooth and fractal surfaces, there are still controversies in the literature. In this dissertation, we propose a simple theoretical model to describe the wettability properties of water droplets on hierarchically structured surfaces. Using simulations of the 3-states Potts model, we investigate the dependence of the initial conditions on the wettability state and confirm the existence of meta-stable states on these surfaces. We demonstrate that as we increase the level of self-similarity in the hierarchy, the stable wettability state of the droplet is not significantly affected, but the contact angle increases. We conclude that the fractal dimension of the surface is not a good predictor of the contact angle of the droplet.