Гидрофобность

Согласно термодинамике, материя стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает химическую энергию. Молекулы воды поляризованы и способны образовывать между собой водородные связи, чем объясняются многие уникальные свойства воды. В то же время гидрофобные молекулы не поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя. Именно этот эффект определяет гидрофобное взаимодействие, называемое так не совсем верно, так как его источником является взаимодействие гидрофильных молекул воды между собой^[2]. Так, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) будут находиться в таком состоянии, где поверхность их контакта будет минимальной. Данный эффект можно наблюдать в явлении разделения фаз, происходящем, например, при расслоении водно-масляной эмульсии.

Сверхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно несклонные к смачиванию (с углом смачивания водой, превышающим 150°). Многие из подобных материалов, обнаруженных в природе, подчиняются закону Кассье и являются двухфазными на субмикронном уровне, причём одним из компонентов является воздух. Эффект лотоса основан на этом принципе.

Примером сверхгидрофобного материала-биомиметика в нанотехнологии является нанопин-плёнка.

Исследование 2007 года показало, что поверхность пентоксида ванадия может переключаться между сверхгидрофобностью и сверхгидрофильностью под действием УФ-излучения^[3]. Согласно этому исследованию, любую поверхность можно наделить подобным свойством путём нанесения на неё суспензии розеткообразных частиц из V₂O₅, например с помощью струйного принтера. В этом случае гидрофобность также вызывается межслойными воздушными полостями (разделёнными расстояниями в 2.1 нм). Механизм действия УФ-излучения состоит в создании пар «электрон — дырка», в которых дырки реагируют с атомами кислорода в кристаллической решётке, создавая кислородные дырки на поверхности, а электроны восстанавливают V⁵⁺ до V³⁺. Кислородные дырки могут закрываться водой, и такое поглощение воды поверхностью V₂O₅ делает её гидрофильной. При продолжительном пребывании в темноте вода замещается кислородом, и гидрофильность утрачивается.