В катализаторах для производства водорода капли воды должны легко отделяться от поверхности, чтобы предотвратить закупорку пузырьками и ускорить генерацию водорода. В производстве полупроводников качество процесса определяется тем, насколько равномерно вода или другая жидкость распределяется по поверхности или как быстро она высыхает.
Однако прямое наблюдение за тем, как такие капли воды или жидкости распространяются и перемещаются по поверхности («смачиваемость») на наноуровне, до недавнего времени было практически невозможно. Это вынуждало исследователей полагаться в основном на предположения.
Исследовательская группа под руководством профессора Сынбум Хонга из Департамента материаловедения и инженерии в сотрудничестве с командой профессора Джонгу Лима из Сеульского национального университета разработала технологию прямого наблюдения за нанокаплями воды в реальном времени с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) и расчёта угла контакта на основе формы капли.
Исследование, в котором кандидат наук Уйчан Чонг из Департамента материаловедения и инженерии KAIST участвовал в качестве первого автора, было опубликовано в журнале ACS Applied Materials and Interfaces.
Новый метод наблюдения за нанокаплями
Исследование позволяет визуально подтвердить фактическую форму нанокапель, что даёт возможность точно проанализировать, насколько хорошо капли воды прилипают к поверхности и отделяются от неё. Это должно найти непосредственное применение в различных передовых технологиях, где движение жидкости определяет производительность, таких как катализаторы для производства водорода, топливные элементы, аккумуляторы и полупроводниковые процессы.
Недавно точные измерения на наноуровне стали решающими для технологии анализа смачиваемости. Традиционные методы использовали большие капли воды размером в несколько миллиметров, чтобы различать гидрофильность (когда вода легко растекается) и гидрофобность (когда вода не растекается) на поверхности. Однако на наноуровне капли слишком малы, чтобы напрямую наблюдать их форму.
Исследовательская группа успешно индуцировала образование нанокапель, мягко охладив поверхность до температуры, при которой атмосферный водяной пар не замерзает. Затем они наблюдали за этими каплями в бесконтактном режиме АСМ, чтобы зафиксировать их первоначальную форму. Поскольку нанокапли чувствительны и могут деформироваться при простом контакте с зондом, необходим точный контроль.
Кроме того, когда команда применила этот метод к сегнетоэлектрическому материалу — танталату лития, они первыми подтвердили разницу в угле контакта нанокапель в зависимости от электрического направления материала (поляризации). Эта разница не была видна при использовании больших капель. Это демонстрирует, что нанокапли очень чувствительны к электрическому состоянию поверхности.
Профессор Сынбум Хонг заявил: «Это исследование является важным примером того, как атомно-силовой микроскоп может быть использован для прямого визуального наблюдения за нанокаплями воды и даже для измерения угла контакта. Возможность наблюдать поведение капель воды в наномире, которое ранее было невидимо, сделает эту технологию ключевым анализом для разработки энергетических и электронных материалов нового поколения».
Предоставлено The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).