การศึกษาล่าสุดได้นำเสนอคำจำกัดความเชิงปริมาณระดับโมเลกุลของสภาพไม่ ชอบน้ำ และการเปลี่ยนแปลงการเปียก โดยอิงจากต้นทุนพลังงานที่จำเป็นในการทำให้ข้อบกพร่องของพันธะไฮโดรเจนในเปลือกไฮเดรชั่นของพื้นผิวหรือสารละลายมีความเสถียร ตามแนวทางนี้ ระบบจะถือว่าไม่ชอบน้ำหากไม่สามารถชดเชยค่าปรับพลังงานจากการขาดพันธะไฮโดรเจนด้วยพลังงานที่อย่างน้อยก็เหมาะสมเท่ากับต้นทุนของข้อบกพร่องในน้ำปริมาณมาก ซึ่งประมาณไว้ที่ −6 kJ/mol (ประมาณ 30% ของพลังงานพันธะ ไฮโดรเจนทั่วไป ) เกณฑ์นี้เรียกว่าเกณฑ์ปฏิสัมพันธ์ของข้อบกพร่อง (Defect Interaction Threshold: DIT) ซึ่งสอดคล้องอย่างน่าทึ่งกับเกณฑ์มุมสัมผัส 90° แบบคลาสสิก ดังนั้นจึงเป็นพื้นฐานระดับโมเลกุลที่ไม่ใช่การกำหนดขึ้นเองสำหรับการเริ่มต้นของพฤติกรรมไม่ชอบน้ำ ยิ่งไปกว่านั้น การเปรียบเทียบปฏิสัมพันธ์การไฮเดรชั่นเฉพาะที่ (เช่น ตำแหน่งพันธะไฮโดรเจนที่อ่อนที่สุดและอ่อนเป็นอันดับสองของโมเลกุลน้ำ ซึ่งมักจะเรียกว่า V และ V ) กับ DIT ทำให้สามารถกำหนดขอบเขตของสภาวะการเปียกเต็มที่ การเปียกบางส่วน (หรือการแห้งบางส่วน) และการแห้งสนิท (การไม่เปียก) ได้^{[ 10 ] [ 11 ]}

พื้นผิวพลังงานต่ำส่วนใหญ่โต้ตอบกับของเหลวผ่านแรงกระจายตัว ( แรง แวนเดอร์วาลส์ ) วิลเลียม ซิสแมนได้ค้นพบข้อค้นพบสำคัญหลายประการ: ^{[ 15 ]}

ซิสแมนสังเกตว่าค่า cos θเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเมื่อความตึงผิว ( γ ) ของของเหลวลดลง ดังนั้น เขาจึงสามารถสร้างฟังก์ชันเชิงเส้นระหว่างค่า cos θและความตึงผิว ( γ ) สำหรับของเหลวอินทรีย์ ต่างๆ ได้

พื้นผิวจะเปียกได้ง่ายขึ้นเมื่อγ และθมีค่าต่ำ ซิสแมนเรียกจุดตัดของเส้นเหล่านี้เมื่อcos θ = 1ว่าแรงตึงผิววิกฤต ( γ ) ของพื้นผิวนั้น แรงตึงผิววิกฤตนี้เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญเพราะเป็นลักษณะเฉพาะของของแข็งเท่านั้น

เมื่อทราบค่าความตึงผิววิกฤตของของแข็งแล้ว ก็สามารถทำนายความสามารถในการเปียกของพื้นผิวได้^{[ 7 ]} ความสามารถในการเปียกของพื้นผิวถูกกำหนดโดยกลุ่มเคมีชั้นนอกสุดของของแข็ง ความแตกต่างในความสามารถในการเปียกของพื้นผิวที่มีโครงสร้างคล้ายกันนั้นเกิดจากความแตกต่างในการจัดเรียงอะตอม ตัวอย่างเช่น หากพื้นผิวมีโซ่กิ่งก้านสาขา จะมีการจัดเรียงอะตอมที่แย่กว่าพื้นผิวที่มีโซ่ตรง ค่าความตึงผิววิกฤตที่ต่ำกว่าหมายถึงพื้นผิววัสดุที่มีความสามารถในการเปียกน้อยกว่า

รูปที่ 3 แสดงเส้นสัมผัสที่เฟสทั้งสามมาบรรจบกัน ในสภาวะสมดุลแรงสุทธิต่อหน่วยความยาวที่กระทำตามแนวเส้นแบ่งระหว่างเฟสทั้งสามจะต้องเป็นศูนย์ ส่วนประกอบของแรงสุทธิในทิศทางตามแนวรอยต่อแต่ละเฟสมีดังนี้:

${\displaystyle {\begin{aligned}\gamma _{\alpha \theta }+\gamma _{\theta \beta }\cos \left(\theta \right)+\gamma _{\alpha \beta }\cos \left(\alpha \right)&=0\\\gamma _{\alpha \theta }\cos \left(\theta \right)+\gamma _{\theta \beta }+\gamma _{\alpha \beta }\cos \left(\beta \right)&=0\\\gamma _{\alpha \theta }\cos \left(\alpha \right)+\gamma _{\theta \beta }\cos \left(\beta \right)+\gamma _{\alpha \beta }&=0\end{ชิดกัน}}}$

โดยที่α , βและθคือมุมที่แสดง และ γ คือพลังงานพื้นผิวระหว่างสองเฟสที่ระบุ ความสัมพันธ์เหล่านี้สามารถแสดงได้โดยใช้รูปสามเหลี่ยมที่เรียกว่าสามเหลี่ยมของนอยมันน์ ดังแสดงในรูปที่ 4 สามเหลี่ยมของนอยมันน์สอดคล้องกับข้อจำกัดทางเรขาคณิตที่ว่า${\displaystyle \alpha +\beta +\theta =2\pi }$และการใช้กฎของไซน์และกฎของโคไซน์กับมันจะสร้างความสัมพันธ์ที่อธิบายว่ามุมระหว่างพื้นผิวขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของพลังงานพื้นผิวอย่างไร^{[ 16 ]}

เนื่องจากพลังงานพื้นผิวทั้งสามนี้ประกอบกันเป็นด้านของรูปสามเหลี่ยมจึงถูกจำกัดด้วยอสมการของรูปสามเหลี่ยมγ < γ + γ ซึ่งหมายความว่าแรงตึงผิวใดๆ ก็ตามจะต้องไม่เกินผลรวมของแรงตึงผิวอีกสองค่า หากนำของเหลวสามชนิดที่มีพลังงานพื้นผิวที่ไม่เป็นไปตามอสมการเหล่านี้มาสัมผัสกัน จะไม่มีสภาวะสมดุลใดๆ ที่สอดคล้องกับรูปที่ 3 เกิดขึ้น

การลดรูปเป็นเรขาคณิตระนาบ ความสัมพันธ์ของยัง

หากเฟส β ถูกแทนที่ด้วยพื้นผิวแข็งเรียบดังแสดงในรูปที่ 5 แล้วβ = πและสมการแรงสุทธิที่สองจะลดรูปเป็นสมการของ Young ^{[ 17 ]}

${\displaystyle \gamma _{\text{SG}}=\gamma _{\text{SL}}+\gamma _{\text{LG}}\cos \left(\theta \right)}$^{[ 18 ]}

ซึ่งเชื่อมโยงแรงตึงผิวระหว่างสามเฟส ได้แก่ของแข็งของเหลวและก๊าซจากนั้น สมการนี้จะใช้ทำนายมุมสัมผัสของหยดของเหลวบนพื้นผิวของแข็ง โดยอาศัยความรู้เกี่ยวกับพลังงานผิวทั้งสามที่เกี่ยวข้อง สมการนี้ยังใช้ได้แม้ว่าเฟส "ก๊าซ" จะเป็นของเหลวอีกชนิดหนึ่งที่ไม่สามารถผสมกับหยดของเฟส "ของเหลว" แรกได้

แบบจำลองทั่วไปสำหรับมุมสัมผัสของหยดน้ำบนพื้นผิวเรียบและพื้นผิวโค้ง

ด้วยการพัฒนาเทคนิคการวัด เช่น AFM, กล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอลและ SEM นักวิจัยจึงสามารถสร้างและถ่ายภาพหยดน้ำในระดับที่เล็กลงเรื่อยๆ การลดขนาดของหยดน้ำทำให้เกิดการสังเกตเชิงทดลองใหม่เกี่ยวกับการเปียก การสังเกตเหล่านี้ยืนยันว่าสมการของ Young ที่แก้ไขแล้ว^{[ 24 ]}ไม่สามารถใช้ได้ในระดับไมโครนาโน นอกจากนี้ เครื่องหมายของแรงตึงเส้นไม่คงอยู่ผ่านสมการของ Young ที่แก้ไขแล้ว^{[ 25 ]}

สำหรับหยดที่เกาะอยู่ พลังงานอิสระของระบบสามเฟสสามารถแสดงได้ดังนี้: ^{[ 26 ] [ 27 ]}

${\displaystyle \delta w=\gamma _{\text{LV}}dA_{\text{LV}}+\gamma _{\text{SL}}dA_{\text{SL}}+\gamma _{\text{SV}}dA_{\text{SV}}-\kappa dL-PdV-VdP}$

ที่ปริมาตรคงที่ในสมดุลทางเทอร์โมไดนามิก สิ่งนี้จะลดลงเหลือ: ^{[ 28 ]}

${\displaystyle 0={\frac {dA_{\text{LG}}}{dA_{\text{SL}}}}+{\frac {\gamma _{\text{SL}}-\gamma _{\text{SG}}}{\gamma _{\text{LG}}}}-{\frac {\kappa }{\gamma _{\text{LG}}}}{\frac {dL}{dA_{\text{SL}}}}-{\frac {V}{\gamma _{\text{LG}}}}{\frac {dP}{dA_{\text{SL}}}}}$

โดยปกติแล้ว เทอม VdPจะถูกละเลยสำหรับหยดขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม งาน VdPจะมีความสำคัญที่ระดับขนาดเล็ก การเปลี่ยนแปลงของความดันที่ปริมาตรคงที่ที่ขอบเขตของของเหลว-ไออิสระเกิดจากความดันลาปลาซซึ่งเป็นสัดส่วนกับความโค้งเฉลี่ยของหยด และไม่เป็นศูนย์ การแก้สมการข้างต้นสำหรับทั้งพื้นผิวนูนและเว้าจะได้ผลลัพธ์ดังนี้: ^{[ 29 ]}

${\displaystyle \cos(\theta \mp \alpha )=A+B{\frac {\cos(\alpha )}{a}}\pm C\sin(\theta \mp \alpha )(\cos(\theta )+1)^{2}{\biggl (}{\frac {\sin(\alpha )(\cos(\alpha )+2)}{(\cos(\alpha )+1)^{2}}}\mp {\frac {\sin(\theta )(\cos(\theta )+2)}{(\cos(\theta )+1)^{2}}}{\biggr )},}$

โดยที่ค่าคงที่พารามิเตอร์A , BและCถูกกำหนดดังนี้:

${\displaystyle A={\frac {\gamma _{\text{SG}}-\gamma _{\text{SL}}}{\gamma _{\text{LG}}}}}$,${\displaystyle B={\frac {\kappa }{\gamma _{\text{LG}}}}}$และ${\displaystyle C={\frac {\gamma }{3\gamma _{\text{LG}}}}}$

สมการนี้เกี่ยวข้องกับมุมสัมผัส${\displaystyle \theta }$ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางเรขาคณิตของหยดน้ำที่เกาะอยู่บนพื้นผิวต่ออุณหพลศาสตร์โดยรวม พลังงานที่ขอบเขตสัมผัสสามเฟส และความโค้งของพื้นผิว α สำหรับกรณีพิเศษของหยดน้ำที่เกาะอยู่บนพื้นผิวเรียบ (α=0)

${\displaystyle \cos(\theta )={\frac {\gamma _{\text{SG}}-\gamma _{\text{SL}}}{\gamma _{LG}}}+{\frac {\kappa }{\gamma _{\text{LG}}}}{\frac {1}{a}}-{\frac {\gamma }{3\gamma _{\text{LG}}}}(2+\cos(\theta )-2\cos ^{2}(\theta )-\cos ^{3}(\theta ))}$

สองพจน์แรกคือสมการของ Young ที่ได้รับการดัดแปลง^{[ 24 ]}ในขณะที่พจน์ที่สามเกิดจากแรงดัน Laplace สมการไม่เชิงเส้นนี้ทำนายเครื่องหมายและขนาดของ κ ได้อย่างถูกต้อง การแบนราบของมุมสัมผัสที่ระดับเล็กมาก และฮิสเทอรีซิสของมุมสัมผัส^{[ 29 ] [ 25 ]}

สำหรับโครงสร้างพื้นผิว/สารดูดซับจำนวนมาก ข้อมูลพลังงานพื้นผิวและการสังเกตการณ์เชิงทดลองนั้นไม่มีให้ใช้งาน เนื่องจากปฏิสัมพันธ์การเปียกมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานต่างๆ จึงมักมีความต้องการที่จะทำนายและเปรียบเทียบพฤติกรรมการเปียกของพื้นผิววัสดุต่างๆ ที่มีการวางแนวผลึกเฉพาะเจาะจง โดยสัมพันธ์กับน้ำหรือสารดูดซับอื่นๆ ซึ่งสามารถทำได้จากมุมมองระดับอะตอมด้วยเครื่องมือต่างๆ เช่นพลศาสตร์โมเลกุลและทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น^{[ 30 ] [ 31 ]}ในการทำนายการเปียกทางทฤษฎีโดย วิธีการ ab initioเช่น DFT น้ำแข็งมักถูกใช้แทนน้ำ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วการคำนวณ DFT จะดำเนินการโดยสมมติเงื่อนไขการเคลื่อนที่ทางความร้อนของอะตอมเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าการจำลองจะดำเนินการที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์อย่างไรก็ตาม การทำให้ง่ายขึ้นนี้ให้ผลลัพธ์ที่เกี่ยวข้องกับการดูดซับน้ำภายใต้เงื่อนไขที่สมจริง และการใช้น้ำแข็งสำหรับการจำลองการเปียกทางทฤษฎีเป็นเรื่องปกติ^{[ 32 ]}

แบบจำลอง Wenzel ^{[ 38 ]}อธิบายถึงระบอบการเปียกที่เป็นเนื้อเดียวกัน ดังที่เห็นในรูปที่ 7 และกำหนดโดยสมการต่อไปนี้สำหรับมุมสัมผัสบนพื้นผิวที่หยาบ: ^{[ 39 ]}

${\displaystyle \cos \,\left(\theta ^{*}\right)=r\cos \,\left(\theta \right)}$

ที่ไหน${\displaystyle \theta ^{*}}$มุมสัมผัสที่ปรากฏ (apparent contact angle) คือค่าที่สอดคล้องกับสภาวะสมดุลที่เสถียร (กล่าวคือ สภาวะที่มีพลังงานอิสระต่ำสุดสำหรับระบบ) อัตราส่วนความหยาบผิว ( r ) เป็นตัววัดว่าความหยาบผิวมีผลต่อพื้นผิวที่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างไร อัตราส่วนความหยาบผิวถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของพื้นที่จริงของพื้นผิวของแข็งต่อพื้นที่ที่ปรากฏ

θคือมุมสัมผัสสำหรับระบบที่อยู่ในสมดุลทางเทอร์โมไดนามิก ซึ่งกำหนดไว้สำหรับพื้นผิวเรียบสนิท แม้ว่าสมการของ Wenzel จะแสดงให้เห็นว่ามุมสัมผัสของพื้นผิวขรุขระแตกต่างจากมุมสัมผัสที่แท้จริง แต่ก็ไม่ได้อธิบายถึงฮิสเทอรีซิสของ มุมสัมผัส ^{[ 39 ]}

เมื่อต้องจัดการกับพื้นผิวที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน แบบจำลองของ Wenzel ไม่เพียงพอ จำเป็นต้องใช้แบบจำลองที่ซับซ้อนกว่าเพื่อวัดว่ามุมสัมผัสที่ปรากฏเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อมีวัสดุต่าง ๆ เข้ามาเกี่ยวข้อง พื้นผิวที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันนี้ ดังที่เห็นในรูปที่ 8 อธิบายโดยใช้สมการ Cassie–Baxter ( กฎของ Cassie ): ^{[ 36 ]}

${\displaystyle \cos \,\left(\theta ^{*}\right)=r_{f}\,f\,\cos \,\left(\theta _{\text{Y}}\right)+f-1}$

ในที่นี้r คืออัตราส่วนความหยาบของพื้นที่ผิวเปียก และfคือสัดส่วนของพื้นที่ผิวของแข็งที่เปียกด้วยของเหลว เมื่อf = 1และr = rสมการ Cassie–Baxter จะกลายเป็นสมการ Wenzel ในทางกลับกัน เมื่อมีสัดส่วนความหยาบของพื้นผิวที่แตกต่างกันหลายค่า แต่ละสัดส่วนของพื้นที่ผิวทั้งหมดจะถูกแทนด้วย${\displaystyle f_{i}}$.

ผลรวมของทั้งหมด${\displaystyle f_{i}}$เท่ากับ 1 หรือพื้นผิวทั้งหมด Cassie–Baxter สามารถเขียนใหม่ได้ในสมการต่อไปนี้: ^{[ 40 ]}

${\displaystyle \gamma \cos \,\left(\theta ^{*}\right)=\sum _{n=1}^{N}f_{i}\left(\gamma _{\text{i,sv}}-\gamma _{\text{i,sl}}\right)}$

ที่นี่${\displaystyle \gamma }$คือค่าความตึงผิวแคสซี-แบ็กซ์เตอร์ระหว่างของเหลวและไอ${\displaystyle \gamma _{i,sv}}$คือแรงตึงผิวของไอของแข็งของส่วนประกอบแต่ละชนิด และ${\displaystyle \gamma _{i,sl}}$คือแรงตึงผิวของของแข็งและของเหลวของส่วนประกอบแต่ละชนิด กรณีที่ควรกล่าวถึงคือเมื่อหยดของเหลวถูกวางบนพื้นผิวและสร้างช่องอากาศเล็กๆ ไว้ข้างใต้ กรณีนี้สำหรับระบบสององค์ประกอบจะแสดงด้วย: ^{[ 40 ]}

${\displaystyle \gamma \cos \,\left(\theta ^{*}\right)=f_{1}\left(\gamma _{\text{1,sv}}-\gamma _{\text{1,sl}}\right)-\left(1-f_{1}\right)\gamma }$

ความแตกต่างที่สำคัญที่ควรสังเกตคือไม่มีแรงตึงผิวระหว่างของแข็งและไอสำหรับส่วนประกอบแรงตึงผิวที่สอง นี่เป็นเพราะสมมติฐานที่ว่าพื้นผิวของอากาศที่สัมผัสอยู่ใต้หยดน้ำและเป็นพื้นผิวอื่นเพียงอย่างเดียวในระบบ ต่อมาสมการจึงแสดงเป็น(1 – f )ดังนั้นสมการ Cassie จึงสามารถหาได้ง่ายจากสมการ Cassie–Baxter ผลการทดลองเกี่ยวกับคุณสมบัติพื้นผิวของระบบ Wenzel เทียบกับ Cassie–Baxter แสดงให้เห็นถึงผลของการยึดติดสำหรับมุม Young 180 ถึง 90° ซึ่งเป็นบริเวณที่จัดอยู่ในแบบจำลอง Cassie–Baxter ระบบคอมโพสิตของเหลว/อากาศนี้ส่วนใหญ่เป็นแบบไม่ชอบน้ำ หลังจากนั้นพบการเปลี่ยนผ่านอย่างรวดเร็วไปยังระบอบ Wenzel ซึ่งหยดน้ำจะเปียกพื้นผิว แต่ไม่เลยขอบของหยดน้ำ อันที่จริงสมการ Young, Wenzel และ Cassie-Baxter แสดงถึงเงื่อนไขความขวางของปัญหาการแปรผันของการเปียก^{[ 41 ] [ 42 ]}

ปรากฏการณ์กลีบดอกไม้ เทียบกับ ปรากฏการณ์ดอกบัว

คุณสมบัติ การไม่ชอบน้ำโดยธรรมชาติของพื้นผิวสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการสร้างพื้นผิวที่มีระดับความหยาบ ที่แตกต่างกัน ดอกกุหลาบสีแดงใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้โดยใช้โครงสร้างระดับไมโครและนาโนบนกลีบแต่ละกลีบเพื่อให้มีความหยาบเพียงพอสำหรับการไม่ชอบน้ำอย่างยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กลีบดอกกุหลาบแต่ละกลีบมีกลุ่มของไมโครพาพิลลาบนพื้นผิว และแต่ละพาพิลลาจะมีนาโนโฟลด์จำนวนมาก คำว่าปรากฏการณ์กลีบดอกอธิบายถึงข้อเท็จจริงที่ว่าหยดน้ำบนพื้นผิวของกลีบดอกกุหลาบมีรูปร่างทรงกลม แต่ไม่สามารถกลิ้งออกไปได้แม้ว่ากลีบดอกจะถูกพลิกกลับด้าน หยดน้ำยังคงรักษารูปร่างทรงกลมไว้ได้เนื่องจากคุณสมบัติการไม่ชอบน้ำอย่างยิ่งของกลีบดอก (มุมสัมผัสประมาณ 152.4°) แต่ไม่กลิ้งออกไปเพราะพื้นผิวกลีบดอกมีแรงยึดเกาะกับน้ำสูง^{[ 44 ]}

เมื่อเปรียบเทียบผลของกลีบดอกไม้กับผลของดอกบัวโครงสร้างพื้นผิวของใบดอกบัวและกลีบดอกกุหลาบ ดังแสดงในรูปที่ 9 สามารถนำมาใช้อธิบายความแตกต่างของผลลัพธ์ทั้งสองได้

ใบบัวมีพื้นผิวขรุขระแบบสุ่มและ มีค่าฮิสเทอรีซิส ของมุมสัมผัส ต่ำ ซึ่งหมายความว่าหยดน้ำไม่สามารถซึมเข้าไปใน ช่องว่าง โครงสร้างจุลภาคระหว่างหนามได้ ทำให้มีอากาศอยู่ภายในเนื้อสัมผัส ส่งผลให้พื้นผิวไม่สม่ำเสมอซึ่งประกอบด้วยทั้งอากาศและของแข็ง ดังนั้น แรงยึดเกาะระหว่างน้ำกับพื้นผิวของแข็งจึงต่ำมาก ทำให้น้ำไหลออกไปได้ง่าย (กล่าวคือ ปรากฏการณ์ ทำความสะอาดตัวเอง )

โครงสร้างระดับไมโครและนาโนของกลีบกุหลาบมีขนาดใหญ่กว่าของใบบัว ซึ่งทำให้ฟิล์มของเหลวสามารถซึมเข้าไปในเนื้อสัมผัสได้ อย่างไรก็ตาม ดังที่เห็นในรูปที่ 9 ของเหลวสามารถเข้าไปในร่องขนาดใหญ่ได้ แต่ไม่สามารถเข้าไปในร่องขนาดเล็กได้ นี่คือสิ่งที่เรียกว่าระบอบการเปียกแบบ Cassie เนื่องจากของเหลวสามารถเปียกในร่องขนาดใหญ่ได้ แรงยึดเกาะระหว่างน้ำกับของแข็งจึงสูงมาก นี่อธิบายได้ว่าทำไมหยดน้ำจึงไม่หลุดออกไปแม้ว่ากลีบจะเอียงเป็นมุมหรือคว่ำลงก็ตาม ผลกระทบนี้จะไม่เกิดขึ้นหากหยดน้ำมีปริมาตรมากกว่า 10 μL เนื่องจากความสมดุลระหว่างน้ำหนักและแรงตึงผิวถูกทำลาย^{[ 45 ]}

ในแบบจำลอง Cassie–Baxterหยดน้ำจะอยู่บนพื้นผิวที่มีลวดลายโดยมีอากาศติดอยู่ด้านล่าง ในระหว่างการเปลี่ยนสถานะการเปียกจากสถานะ Cassie ไปสู่สถานะ Wenzel ช่องอากาศจะไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์อีกต่อไป และของเหลวจะเริ่มก่อตัวจากตรงกลางของหยดน้ำ ทำให้เกิด "สถานะเห็ด" ดังที่เห็นในรูปที่ 10 ^{[ 46 ]}เงื่อนไขการแทรกซึมกำหนดโดย:

${\displaystyle \cos \,\left(\theta _{\text{C}}\right)={\frac {\phi -1}{r-\phi }}}$

ที่ไหน

• θC มุมสัมผัสวิกฤต
• Φคือสัดส่วนของพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างของแข็งและของเหลวที่หยดสัมผัสกับพื้นผิว
• rคือค่าความหยาบของพื้นผิว (สำหรับพื้นผิวเรียบr = 1)

แนวหน้าการแทรกซึมจะแพร่กระจายเพื่อลดพลังงานพื้นผิวให้เหลือน้อยที่สุดจนกระทั่งถึงขอบของหยด จึงไปถึงสถานะเวนเซล เนื่องจากของแข็งสามารถถือได้ว่าเป็นวัสดุดูดซับเนื่องจากพื้นผิวขรุขระ ปรากฏการณ์การแพร่กระจายและการซึมซับ นี้ จึงเรียกว่าเฮมิวิคกิ้ง มุมสัมผัสที่เกิดการแพร่กระจาย/การซึมซับจะอยู่ระหว่าง 0 ถึงπ /2 ^{[ 47 ]}

แบบจำลองของเวนเซลใช้ได้ระหว่างθ และπ /2 ถ้ามุมสัมผัสมีค่าน้อยกว่าΘ แนวหน้าของการแทรกซึมจะแผ่ขยายออกไปนอกหยดน้ำและเกิดเป็นฟิล์มของเหลวปกคลุมบนพื้นผิว ภาพที่ 11 แสดงการเปลี่ยนจากสภาวะของเวนเซลไปสู่สภาวะฟิล์มบนพื้นผิว ฟิล์มจะทำให้ความขรุขระของพื้นผิวเรียบขึ้นและแบบจำลองของเวนเซลจะไม่สามารถใช้ได้อีกต่อไป ในสภาวะนี้ เงื่อนไขสมดุลและความสัมพันธ์ของยังจะให้ผลลัพธ์ดังนี้:

${\displaystyle \cos \,\left(\theta ^{*}\right)=\phi \cos \,\left(\theta _{C}\right)+\left(1-\phi \right)}$^{[ 46 ]}

ด้วยการปรับความหยาบของพื้นผิวอย่างละเอียด สามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงระหว่างบริเวณที่กันน้ำได้ดีเยี่ยม (superhydrophobic) และบริเวณที่ดูดซับน้ำได้ดีเยี่ยม (superhydrophilic) ได้ โดยทั่วไปแล้ว พื้นผิวที่หยาบกว่าจะมีคุณสมบัติกันน้ำได้ดีกว่า

กระบวนการทางเทคโนโลยีหลายอย่างจำเป็นต้องควบคุมการแพร่กระจายของของเหลวบนพื้นผิวของแข็ง เมื่อหยดของเหลวลงบนพื้นผิว หยดนั้นอาจเปียกพื้นผิวทั้งหมด เปียกบางส่วน หรือไม่เปียกเลยก็ได้ โดยการลดแรงตึงผิวด้วยสารลดแรงตึงผิววัสดุที่ไม่เปียกสามารถทำให้เปียกได้บางส่วนหรือทั้งหมด พลังงานอิสระส่วนเกิน (σ) ของหยดบนพื้นผิวของแข็งคือ: ^{[ 49 ]}

${\displaystyle \sigma =\gamma S+PV+\pi \,R^{2}\left(\gamma _{\text{SL}}-\gamma _{\text{SV}}\right)}$

• γคือแรงตึงผิวระหว่างของเหลวและไอ
• γ คือแรงตึงผิวระหว่างของแข็งและของเหลว
• γ คือแรงตึงผิวระหว่างของแข็งและไอ
• Sคือพื้นที่ของส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวและไอ
• Pคือความดันส่วนเกินภายในของเหลว
• Rคือรัศมีของฐานหยดน้ำ

จากสมการนี้ พลังงานอิสระส่วนเกินจะลดลงเหลือน้อยที่สุดเมื่อγลดลงγ ลดลง หรือγ เพิ่มขึ้น สารลดแรงตึงผิวจะถูกดูดซับที่ส่วนต่อประสานระหว่างของเหลว-ไอ ของแข็ง-ของเหลว และของแข็ง-ไอ ซึ่งจะปรับเปลี่ยนพฤติกรรมการเปียกของวัสดุที่ไม่ชอบน้ำเพื่อลดพลังงานอิสระ เมื่อสารลดแรงตึงผิวถูกดูดซับบนพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำ กลุ่มหัวขั้วจะหันเข้าสู่สารละลายโดยมีส่วนหางชี้ออกด้านนอก ในพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำมากขึ้น สารลดแรงตึงผิวอาจก่อตัวเป็นชั้นคู่บนของแข็ง ทำให้พื้นผิวนั้นชอบน้ำมากขึ้น รัศมีหยดแบบไดนามิกสามารถระบุลักษณะได้เมื่อหยดเริ่มกระจายตัว ดังนั้นมุมสัมผัสจึงเปลี่ยนแปลงตามสมการต่อไปนี้: ^{[ 49 ]}

${\displaystyle \cos \,\left(\theta (t)\right)=\cos \,\left(\theta _{0}\right)+\left(\cos \,\left(\theta _{\infty }\right)-\cos \,\left(\theta _{0}\right)\right)\left(1-e^{-{\frac {t}{\tau }}}\right)}$

• θ คือมุมสัมผัสเริ่มต้น
• θ คือมุมสัมผัสสุดท้าย
• τคือมาตราส่วนเวลาการถ่ายโอนสารลดแรงตึงผิว

เมื่อสารลดแรงตึงผิวถูกดูดซึมเข้าไป แรงตึงผิวระหว่างของแข็งกับไอจะเพิ่มขึ้น และขอบของหยดน้ำจะกลายเป็นชอบน้ำ ส่งผลให้หยดน้ำกระจายตัวออก

เฟอร์โรซีนเป็นสารประกอบออร์กาโนเมทัลลิกที่มีฤทธิ์รีดอกซ์^{[ 51 ]}ซึ่งสามารถรวมเข้ากับโมโนเมอร์ ต่างๆ และใช้ในการสร้างพอลิเมอร์ที่สามารถยึดติดกับพื้นผิวได้^{[ 50 ]}ไวนิลเฟอร์โรซีน (เฟอร์โรซีนอีเลทีน) สามารถเตรียมได้โดยปฏิกิริยา Wittig ^{[ 52 ]}จากนั้นจึงนำไปพอลิเมอไรซ์เพื่อสร้างพอลิไวนิลเฟอร์โรซีน (PVFc) ซึ่งเป็นอะนาล็อกของพอลิสไตรีน พอลิเมอร์อีกชนิดหนึ่งที่สามารถสร้างขึ้นได้คือ พอลิ( 2-(เมทาคริลอยลอกซี)เอทิลเฟอร์โรซีนคาร์บอกซิเลต) หรือ PFcMA ทั้ง PVFc และ PFcMA ได้ถูกยึดติดกับ แผ่นเวเฟอร์ ซิลิกาและวัดค่าความเปียกเมื่อโซ่พอลิเมอร์ไม่มีประจุ และเมื่อหมู่ เฟอร์โรซีน ถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างหมู่ที่มีประจุบวก ดังแสดงในภาพด้านขวา^{[ 50 ]}มุมสัมผัสกับน้ำบนเวเฟอร์เคลือบ PFcMA ลดลง 70° หลังจากการออกซิเดชัน ในขณะที่ในกรณีของ PVFc ลดลง 30° และพบว่าการสลับความสามารถในการเปียกนั้นสามารถย้อนกลับได้ ในกรณีของ PFcMA ได้มีการศึกษาผลของสายโซ่ที่ยาวกว่าที่มีกลุ่มเฟอร์โรซีนมากขึ้น (และมวลโมลาร์ ที่มากกว่าด้วย ) และพบว่าสายโซ่ที่ยาวกว่าทำให้มุมสัมผัสลดลงอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 50 ] [ 53 ]}

ออกไซด์ของธาตุหายากแสดงคุณสมบัติไม่ชอบน้ำโดยธรรมชาติ ดังนั้นจึงสามารถใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ที่มีเสถียรภาพทางความร้อน และการใช้งานอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติไม่ชอบน้ำที่อุณหภูมิสูง^{[ 54 ]}การมีช่องว่างออกซิเจนที่พื้นผิวของเซเรียหรือออกไซด์ของธาตุหายากอื่นๆ มีบทบาทสำคัญในการควบคุมความเปียกของพื้นผิวการดูดซับน้ำที่พื้นผิวออกไซด์สามารถเกิดขึ้นได้ในรูปแบบการดูดซับโมเลกุล ซึ่งโมเลกุล H2O คงอยู่ครบถ้วนที่พื้นผิวที่สิ้นสุด หรือในรูปแบบการดูดซับแบบแยกส่วน ซึ่ง OH และ H จะถูกดูดซับแยกกัน ^{[ 55 ]}ที่พื้นผิวของแข็ง โดยทั่วไปพบว่าการมีช่องว่างออกซิเจนจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติไม่ชอบน้ำในขณะที่ส่งเสริมการดูดซับแบบแยกส่วน^{[ 56 ]}