* Pürüzlülüğün yüzeylerin ıslanma özelliklerine
etkileri Wenzel, Cassie tarafından teorik olarak
önerilen modellerle açıklanmıştır[5,6]. İdeal yüzeyin
aksine, gerçek yüzeyin kimyasal heterojenitesi ve
yüzey pürüzlülüğü olabilir ve bu gayet makul bir
durumdur.
* Wenzel Modeli; homojen bir ıslanma olarak
kabul edilir, çünkü sıvı, yüzeyde bulunan mikro
çukurluklara tamamen nüfuz eder. Yani pürüzlü
yüzeylerin su damlası ile tamamen ıslatıldığı kabul
edilir.
Wenzel modelinde, yüzey pürüzlülüğü (r) gerçek
alanın yüzeyin projeksiyon alanına oranı olarak
tanımlanmaktadır.
Wenzel’e göre pürüzlü bir yüzeyin su değme açısı
(θw), r değeri ve aynı yüzeyin düz halinin su
değme açısı ile ilişkilidir ve bu ilişki denklem (1)’de
görüldüğü gibidir[5].
cosθw = r • cosθ
* Cassie-Baxter Modeli: Heterojen bir yüzeyle
uğraşırken, Wenzel modeli yeterli değildir. Çeşitli
malzemeler ve hiyerarşik katmanlı yüzeylerde
görünür temas açısının nasıl değiştiğini ölçmek için
daha karmaşık bir modele ihtiyaç duyulmuştur[7].
Cassie-Baxter modelinde, bir su damlası yalnızca
pürüzlü yüzeyin uçlarına temas eder ve hava
fraksiyonu bu modelde alt tarafta tutulur. Damla
altındaki sıkışmış hava ile çıkıntılı dokuya sahip
yüzeyin üstünde toplanması yüzey ile suyun
mümkün mertebe en az etkileşimde olmasına sebep
verir. Yüzeyin ıslanmaması ve üzerindeki sıvının
kolayca yuvarlanabilmesi iradesi bu mekanizma
çerçevesinde gerçekleşir. Cassie-Baxter modelinde
heterojen çıkıntılı-pürüzlü yüzey üzerinde bulunan
(θc*) Cassie CA' sıdır (Contact Angles); f, gerçek
damlacık temas alanı ile toplam yüzey alanı
arasındaki orandır.
Bu minimize edilmiş sıvı-yüzey temas alanı,
süperhidrofobik yüzeylerin kendi kendini temizleme
ve su itici özelliklere sahip olmalarına neden olur.
cosθc * = -1 + f ( cos θ +1 )
Cassie-Baxter modelinden yükseltilmiş
basınç, sıcaklık ve yoğunlaşmaya kadar çeşitli
koşullar altında yüzey dokusunun işlevsel bir
özelliği olmayan Wenzel durumuna geçip mikro
gözeneklerin su ile dolması yani yüzeyi ıslatması
süperhidrofobisitenin geri döndürülemez bir
noktaya evrilmesine sebep olur. Bu ıslanma
geçişinde, hava cepleri artık termodinamik olarak
kararlı değildir ve sıvı damlanın ortasından gözenek
(1)
(1)
içine doğru nufüz etmeye başlayarak "mantar hali"
oluşturur[8]. Geçiş şu şekilde formüle edilir; Cassie
(1) ve Wenzel (1) denklemleri birleştirildiğinde daha
rasyonel ve süperhidrofobik yüzey mekanizmasını
anlamlandırmada sorulara daha iyi cevap veren (2)
numaralı eşitlik elde edilir. Bu denklemde θR ve θ
sırasıyla pürüzlü ve ideal düz yüzeylerin su temas
açılarını göstermektedir.
cosθR = r • f • cosθ + f – 1
(2)
Yüzeydeki pürüzlülüğü manipüle ederek, süperhidrofobik ve süperhidrofilik bölgeler arasında bir geçiş elde
etmek mümkündür. Genellikle, yüzey ne kadar pürüzlü olursa o kadar hidrofobik olur.
58