Propriedades de molhabilidade de superfícies com desordem espacial e química

Abstract

Quando uma gota é colocada em uma superfície, ela pode apresentar vários estados de molhabilidade. Neste trabalho trataremos de dois regimes extremos de molhabilidade, um chamado Cassie-Baxter (CB), onde existe ar preso embaixo da gota e o outro caracterizado por uma molhabilidade homogênea da superfície, chamado estado Wenzel (W). É sabido que a rugosidade da superfície é capaz de modificar as propriedades de molhabilidade da gota. Para entender como a rugosidade modifica tais propriedades, há muitos estudos teóricos que tratam o caso onde a rugosidade é distribuída espacialmente de maneira ordenada. Grande parte destes estudos utiliza um modelo de soma das energia livres necessárias para formar as superfícies de contato do líquido com o ar e com a superfície rugosa. Sabe-se, no entanto, que as superfícies reais apresentam desordem espacial e química. Neste projeto nós propomos um método numérico para estudar o modelo de superfícies rugosas de pilares com não-uniformidades espaciais e químicas. Introduz-se desordem na altura dos pilares, na distância dos pilares e no tipo químico da superfície e soma-se para todos os pixeis a energia de contato Líquido-Gás, Líquido-Sólido e Sólido-Gás para os dois estados de molhabilidade (W e CB). A partir de um processo de minimização da energia livre, obtém-se um acordo muito bom entre os modelos numérico e teóricos desenvolvidos. Obtêm-se também comportamentos inesperados gerados pela desordem, como a coexistência dos dois estados extremos de molhabilidade em diferentes pontos de uma mesma superfície, resultado conhecido experimentalmente; ou o aumento da energia do estado CB, podendo mesmo transformar superfícies de tendências hidrofóbicas em hidrofílicas. Ao final, a partir do desenvolvimento teórico efetuado, mostra-se que para escalas termodinâmicas (raio da gota 2000μm) os efeitos da desordem passam a ser menos relevantes que para gotas pequenas.

When a drop is placed on a surface, it can exhibit various wettability. In this work we will deal with two extreme regimes of wettability, a Cassie-Baxter (CB), with air pockets trapped underneath the droplet and the one characterized by the homogeneous wetting of the surface, called the Wenzel (W) state. It is known that the roughness of the surface plays a crucial role to define the wetting properties of the droplet [CITE]. To understand how roughness modifies such properties, there are many theoretical studies that address the case where roughness distributed homogeneously both geometrically and chemically. It is known, however, that real surfaces exhibit spatial and chemical disorder. In this project we propose a numerical method to study the rough surface model of columns with spatial and chemical non-uniformities. The model takes into account the total energy required to form the contact surfaces of the liquid with the air and with the rough surface. Disorder is introduced at the height of the pillars, at the distance of the pillars and on the chemical type of the surface. To treat it numerically we propose to discretize the space in pixels, and for all pixels the contact energy Liquid-Gas, Liquid-Solid and Solid-Gas is considered to the two wetting states (W and CB). Using a minimization process of the free energy, a very good agreement is obtained between the numerical and theoretical models developed. Unexpected behavior generated by the disorder is also obtained, such as the coexistence of the two extremes of wettability at different points on the same surface, a result known experimentally. We also find that the energy of the CB state always increases with the presence of disorder, and may even transform surfaces of hydrophobic tendencies into hydrophilic ones. We verified the influence of the effects of the disorder for big droplets and show that these effects become less relevant when the droplet size increases.