Effects of Hydraulic Pressure on the Stability and Transition of Wetting Modes of Superhydrophobic Surfaces

润湿 润湿转变 无量纲量 机械 亚稳态 屈曲 不稳定性 液压 材料科学 接触角 化学 复合材料 物理 工程类 机械工程 有机化学
作者
Quanshui Zheng,Ying-Song Yu,Zhenhao Zhao
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:21 (26): 12207-12212 被引量:369
标识
DOI:10.1021/la052054y
摘要

The underlying mechanisms of stability, metastability, or instability of the Cassie-Baxter and Wenzel wetting modes and their transitions on superhydrophobic surfaces decorated with periodic micropillars are quantitatively studied in this article. Hydraulic pressure, which may be generated by the water-air interfacial tension of water droplets or external factors such as raining impact, is shown to be a key to understanding these mechanisms. A detailed transition process driven by increasing hydraulic pressure is numerically simulated. The maximum sustainable or critical pressure of the Cassie-Baxter wetting state on a pillarlike microstructural surface is formulated for the first time in a simple, unified, and precise form. This analytic result reveals the fact that reducing the microstructural scales (e.g., the pillars' diameters and spacing) is probably the most efficient measure needed to enlarge the critical pressure significantly. We also introduce a dimensionless parameter, the pillar slenderness ratio, to characterize the stability of either the Cassie-Baxter or the Wenzel wetting state and show that the energy barrier for transitioning from the Cassie-Baxter to the Wenzel wetting mode is proportional to both the slenderness ratio and the area fraction. Thus, the Cassie-Baxter wetting mode may collapse under a hydraulic pressure lower than the critical one if the slenderness ratio is improperly small. This quantitative study explains fairly well some experimental observations of contact angles that can be modeled by neither Wenzel nor Cassie-Baxter contact angles and eventually leads to our proposals for a mixed (or coexisting) wetting mode.
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