Ultrahydrofobicita - Ultrahydrophobicity

Kapka na lotosovém povrchu s kontaktním úhlem větším než 146 °.
Kapka vody dopadající na superhydrofobní, elastický povrch.

Ultrahydrofobní (nebo superhydrofobní ) povrchy jsou vysoce hydrofobní , tj. Extrémně obtížně zvlhčitelné . Tyto kontaktní úhly s vodou kapky na ultrahydrofobní materiálu vyšší než 150 °. To je také označováno jako lotosový efekt , po superhydrofobních listech lotosové rostliny. Kapka dopadající na tyto druhy povrchů se může plně odrazit jako pružná koule. Interakce odrážejících se kapek lze dále omezit pomocí speciálních superhydrofobních povrchů, které podporují lámání symetrie, poskakování palačinek nebo poskakování mísy.

Teorie

V roce 1805 definoval Thomas Young kontaktní úhel θ analýzou sil působících na kapičku tekutiny spočívající na hladkém pevném povrchu obklopeném plynem.

Kapalná kapalina spočívá na pevném povrchu a je obklopena plynem. Kontaktní úhel θ C je úhel tvořený kapalinou na hranici tří fází, kde se kapalina, plyn a pevná látka protínají.
Kapička spočívající na pevném povrchu a obklopená plynem svírá charakteristický kontaktní úhel θ. Pokud je pevný povrch drsný a kapalina je v těsném kontaktu s pevnými asperity, je kapička ve Wenzelském stavu. Pokud kapalina spočívá na vrcholech asperit, je ve stavu Cassie-Baxter.

kde

= Mezifázové napětí mezi pevnou látkou a plynem
= Mezifázové napětí mezi pevnou látkou a kapalinou
= Mezifázové napětí mezi kapalinou a plynem

θ lze měřit pomocí kontaktního úhlového goniometru .

Wenzel určil, že když je kapalina v těsném kontaktu s mikrostrukturovaným povrchem, θ se změní na θ W*

kde r je poměr skutečné plochy k promítnuté ploše. Wenzelova rovnice ukazuje, že mikrostruktura povrchu zesiluje přirozenou tendenci povrchu. Hydrofobní povrch (ten, který má původní kontaktní úhel větší než 90 °) se při mikrostruktuře stává hydrofobnějším - jeho nový kontaktní úhel se stává větší než původní. Hydrofilní povrch (ten, který má původní kontaktní úhel menší než 90 °) se však při mikrostruktuře stává hydrofilnějším - jeho nový kontaktní úhel se stává menší než původní.

Cassie a Baxter zjistili, že pokud je kapalina zavěšena na vrcholcích mikrostruktur, θ se změní na θ CB*

kde φ je plošný zlomek pevné látky, který se dotýká kapaliny. Kapalina ve stavu Cassie-Baxter je mobilnější než ve Wenzelském stavu.

Lze vypočítat nový kontaktní úhel s oběma rovnicemi, zda by měl existovat Wenzelův nebo Cassie-Baxterův stav. Minimalizací argumentu volné energie je stav, který nejpravděpodobněji existuje, vztah, který předpovídal menší nový kontaktní úhel. Matematicky vyjádřeno, aby existoval stav Cassie-Baxter, musí být následující nerovnost pravdivá.

Nedávná alternativní kritéria pro stav Cassie-Baxter tvrdí, že stav Cassie-Baxter existuje, když jsou splněna následující 2 kritéria: 1) Síly kontaktní linie překonávají tělesné síly s nepodporovanou hmotností kapiček a 2) Mikrostruktury jsou dostatečně vysoké, aby zabránily kapalině který přemosťuje mikrostruktury v dotyku se základnou mikrostruktur.

Kontaktní úhel je měřítkem statické hydrofobicity a hystereze kontaktního úhlu a úhel skluzu jsou dynamická opatření. Hystereze kontaktního úhlu je jev, který charakterizuje heterogenitu povrchu. Když pipeta vstřikuje kapalinu na pevnou látku, vytvoří kapalina určitý kontaktní úhel. Jak pipeta vstřikuje více kapaliny, kapka zvýší svůj objem, kontaktní úhel se zvětší, ale její třífázová hranice zůstane nehybná, dokud náhle nepostoupí ven. Kontaktní úhel, který měla kapička bezprostředně před postupem ven, se nazývá postupující kontaktní úhel. Ustupující kontaktní úhel se nyní měří čerpáním kapaliny zpět z kapičky. Kapka sníží svůj objem, kontaktní úhel se zmenší, ale její třífázová hranice zůstane nehybná, dokud se náhle nevrátí dovnitř. Kontaktní úhel, který kapička měla bezprostředně před ustupováním dovnitř, se nazývá ustupující kontaktní úhel. Rozdíl mezi postupujícími a ustupujícími kontaktními úhly se nazývá hystereze kontaktního úhlu a lze jej použít k charakterizaci heterogenity povrchu, drsnosti a pohyblivosti. Povrchy, které nejsou homogenní, budou mít domény, které brání pohybu kontaktní linie. Úhel skluzu je dalším dynamickým měřítkem hydrofobicity a měří se nanesením kapky na povrch a nakláněním povrchu, dokud se kapka nezačne klouzat. Kapaliny ve stavu Cassie-Baxter obecně vykazují nižší úhly skluzu a hysterezi kontaktního úhlu než ve Wenzelově stavu.

Jednoduchý model lze použít k předpovědi účinnosti syntetického mikro- nebo nano-vyrobeného povrchu pro jeho podmíněný stav (Wenzel nebo Cassie-Baxter), hysterezi kontaktního úhlu a kontaktního úhlu . Hlavním faktorem tohoto modelu je hustota kontaktní linie Λ , což je celkový obvod asperit v dané jednotkové ploše.

Ukázka hydrofobního povrchu složeného ze čtvercových pilířů. Λ = 4x za rok 2

Kritická hustota kontaktní linie Λ c je funkcí tělesných a povrchových sil a také promítnuté oblasti kapičky.

kde

ρ = hustota kapalné kapičky
g = gravitační zrychlení
V = objem kapalné kapičky
θ a = postupující zdánlivý kontaktní úhel
θ a, 0 = postupující kontaktní úhel hladkého podkladu
γ = povrchové napětí kapaliny
w = úhel stěny věže

Pokud Λ > Λ c , kapky se suspendují ve stavu Cassie-Baxter. Jinak se kapička zhroutí do Wenzelského stavu.

Pro výpočet aktualizovaných předsunutých a ustupujících kontaktních úhlů ve stavu Cassie-Baxter lze použít následující rovnice.

také s Wenzelským stavem:

kde

λ p = lineární zlomek styčné čáry na asperitách
θ r, 0 = ustupující kontaktní úhel hladkého podkladu
θ vzduch = kontaktní úhel mezi kapalinou a vzduchem (obvykle se předpokládá, že je 180 °)

Jednotné versus hierarchické struktury drsnosti

Struktura jednotné drsnosti versus hierarchická struktura.jpg

M. Nosonovsky a B. Bhushan studovali vliv unitárních (nehierarchických) struktur mikro a nano drsnosti a hierarchických struktur (mikrodrsnost pokrytá nano drsností). Zjistili, že hierarchická struktura byla nejen nezbytná pro vysoký kontaktní úhel, ale také nezbytná pro stabilitu rozhraní voda-pevná látka a voda-vzduch (kompozitní rozhraní). V důsledku vnější poruchy může na rozhraní kapalina -vzduch vzniknout stojatá kapilární vlna. Pokud je amplituda kapilární vlny větší než výška asperity, kapalina se může dotknout údolí mezi asperity; a pokud je úhel, pod kterým kapalina přichází do styku s pevnou látkou, větší než h0, je energeticky výhodné, aby kapalina vyplnila údolí. Účinek kapilárních vln je výraznější u malých asperit s výškami srovnatelnými s amplitudou vln. Příkladem toho je případ jednotkové drsnosti, kde je amplituda asperity velmi nízká. To je důvod, proč bude pravděpodobnost nestability unitárního rozhraní velmi vysoká. V nedávné studii však Eyal Bittoun a Abraham Marmur zjistili, že víceúrovňová drsnost není nezbytně nezbytná pro superhydrofobicitu, ale je prospěšná pro mechanickou stabilitu povrchu.

Příklady v přírodě

Mnoho velmi hydrofobních materiálů nacházejících se v přírodě se spoléhá na Cassieho zákon a jsou na úrovni submikrometru dvoufázové . Jemné chloupky u některých rostlin jsou hydrofobní, navržené tak, aby využívaly rozpouštědlové vlastnosti vody k přilákání a odstraňování nečistot blokujících sluneční světlo z jejich fotosyntetických povrchů. Inspirováno tímto lotosovým efektem bylo vyvinuto mnoho funkčních superhydrofobních povrchů.

Vodní bruslařky jsou hmyz , které žijí na povrchu filmu vody, a jejich těla jsou účinně nesmáčivé díky specializovaným hairpiles zvaných Hydrofuge ; mnoho jejich povrchů těla je pokryto těmito specializovanými „vlasovými vlasy“, složenými z drobných chloupků rozmístěných tak blízko, že na jeden mm připadá více než tisíc mikrohairů, což vytváří hydrofobní povrch. Podobné hydrofugální povrchy jsou známy i u jiného hmyzu, včetně vodního hmyzu, který většinu života tráví ponořený, přičemž hydrofobní chloupky zabraňují vstupu vody do jejich dýchacího systému.

Někteří ptáci jsou díky svému hydrofobnímu povlaku z peří skvělými plavci. Tučňáci jsou potaženi vrstvou vzduchu a mohou uvolněný vzduch uvolnit, aby rychle zrychlili, když potřebují vyskočit z vody a přistát na vyšší zemi. Nošení vzduchového pláště při plavání snižuje odpor vzduchu a také funguje jako tepelný izolátor.

Nedávný výzkum

Řezání vodní kapky superhydrofobním nožem na superhydrofobních površích.
Kapičky vody se valí po 5% nakloněném superhydrofobním povrchu.

Dettre a Johnson v roce 1964 zjistili, že jev superhydrofobního lotosového efektu souvisí s drsnými hydrofobními povrchy, a vyvinuli teoretický model založený na experimentech se skleněnými kuličkami potaženými parafínem nebo TFE telomerem. Samočisticí vlastnost superhydrofobních mikroanostrukturovaných povrchů byla popsána v roce 1977. Perfluoralkylové, perfluorpolyetherové a RF plazmatem vytvořené superhydrofobní materiály byly vyvinuty, použity pro elektrolytické smáčení a komercializovány pro biolékařské aplikace v letech 1986 až 1995. Další technologie a aplikace se objevily od r. polovině devadesátých let. Trvanlivá superhydrofobní hierarchická kompozice, aplikovaná v jednom nebo dvou krocích, byla popsána v roce 2002 a obsahuje částice nano velikosti ≤ 100 nanometrů překrývající povrch mající znaky velikosti mikrometru nebo částice ≤ 100 µm . Bylo pozorováno, že větší částice chrání menší částice před mechanickým oděrem. V roce 2012 byly vyvinuty trvanlivé, opticky transparentní superhydrofobní a oleofobní povlaky obsahující nano částice v rozmezí velikosti 10 až 100 nm.

Výzkum superhydrofobicity byl nedávno urychlen dopisem, který uváděl superhydrofobní vzorky vytvořené člověkem, vyrobené tak, že dimer alkylketenů (AKD) ztuhl na nanostrukturovaný fraktální povrch. Mnoho papírů od té doby představilo způsoby výroby superhydrofobních povrchů včetně depozice částic, sol-gelové techniky, plazmové úpravy, parní depozice a licí techniky. Současná příležitost pro dopad výzkumu spočívá především v základním výzkumu a praktické výrobě. Nedávno se objevily debaty o použitelnosti modelů Wenzel a Cassie-Baxter. V experimentu navrženém tak, aby zpochybnil perspektivu povrchové energie modelu Wenzel a Cassie-Baxter a podpořil perspektivu kontaktní linie, byly kapky vody umístěny na hladké hydrofobní místo v drsném hydrofobním poli, drsné hydrofobní místo v hladkém hydrofobním poli, a hydrofilní místo v hydrofobním poli. Experimenty ukázaly, že povrchová chemie a geometrie na kontaktní linii ovlivňují kontaktní úhel a hysterezi kontaktního úhlu, ale povrchová plocha uvnitř kontaktní linie neměla žádný účinek. Byl také navržen argument, že zvýšená zubatost v kontaktní linii zvyšuje mobilitu kapiček. Jedna metoda pro experimentální měření zubatosti v kontaktním vedení používá kov s nízkou teplotou tání roztavený a nanesený na mikro/nano strukturované povrchy. Když kov vychladne a ztuhne, je odstraněn z povrchu. překlopen a zkontrolován na mikro geometrii styčných čar.

Při výrobě povrchu s laditelnou smáčitelností bylo vynaloženo několik úsilí. Za účelem spontánní pohyblivosti kapiček může být vyroben povrch s různými šířkami a rozestupy věží, aby se postupně zvyšovala volná energie povrchu. Trend ukazuje, že jak se šířka věže zvětšuje, bariéra volné energie se zvětšuje a kontaktní úhel klesá, což snižuje hydrofobicitu materiálu. Zvětšení rozteče věží zvýší kontaktní úhel, ale také zvýší bariéru volné energie. Kapky se přirozeně pohybují směrem k oblastem se slabou hydrofobicitou, takže aby se kapička samovolně pohybovala z jednoho místa na druhé, ideální povrch by se skládal z věží s malou šířkou s velkým rozestupem až po věže s velkou šířkou s malým rozestupem. Jednou výhradou tohoto spontánního pohybu je odolnost nepohyblivých kapiček k pohybu. Počáteční pohyb kapiček vyžaduje vnější podnět, od něčeho tak velkého, jako je vibrace povrchu nebo tak malého, jako je prosté „zatlačení“ injekční stříkačky, které se uvolňuje z jehly.

Příklad snadno laditelné smáčivosti lze nalézt u speciálně vyvinutých tkanin. Natažením potažené komerční textilie se obvykle nechaly zvětšit kontaktní úhly. To je do značné míry způsobeno zvýšením rozestupu věží. Tento trend však nepokračuje směrem k větší hydrofobicitě s vyšším napětím. Nakonec stav Cassie-Baxter dosáhne nestability a přechází do Wenzelského stavu a namočí látku.

Příkladem biomimetického superhydrofobního materiálu v nanotechnologiích je nanopin film . V jedné studii je prezentován povrch oxidu vanadičitého, který se může pod vlivem UV záření reverzibilně přepínat mezi superhydrofobicitou a superhydrofilitou . Podle studie jakýkoliv povrch, může být upraven tak, aby v tomto smyslu nanesením suspenze z růží, jako je V 2 O 5 částic, například s inkoustovou tiskárnou . Hydrofobicita je opět indukována interlaminárními vzduchovými kapsami (oddělenými vzdálenostmi 2,1 nm ). Rovněž je vysvětlen UV efekt. UV světlo vytváří páry elektron-díra , přičemž otvory reagují s mřížkovým kyslíkem a vytvářejí povrchová kyslíková místa, zatímco elektrony snižují V 5+ na V 3+ . Volná místa kyslíku jsou splněna vodou a tato nasákavost povrchu vanadem jej činí hydrofilním. Při delším skladování ve tmě je voda nahrazena kyslíkem a hydrofilnost je opět ztracena.

Další příklad biomimetického povrchu zahrnuje mikrokvětiny na běžných polymerních polykarbonátech. Mikro/nano binární struktury (MNBS) napodobují typickou mikro/nanostrukturu lotosového listu. Tyto mikrokvětiny nabízejí vlastnosti v nanoměřítku, které zvyšují hydrofobicitu povrchu, bez použití povlaků s nízkou povrchovou energií. Vytváření superhydrofobního povrchu prostřednictvím parou indukované separace fází při měnících se relativních okolních vlhkostí způsobovalo rovněž změnu kontaktního úhlu povrchu. Připravené povrchy nabízejí kontaktní úhly vyšší než 160 ° s typickými kluznými úhly kolem 10 °. Nedávná studie odhalila voštinové mikrostruktury na taro listu, což činí list superhydrofobním. Naměřený kontaktní úhel na taro listu v této studii je kolem 148 stupňů.

Potahy s nízkou povrchovou energií mohou také poskytovat superhydrofobní povrch. Jednovrstvá samoorganizující se povlak (SAM) může poskytnout takové povrchy. Pro udržení hydrofobního povrchu se hlavové skupiny váží těsně k povrchu, zatímco hydrofobní micely se táhnou daleko od povrchu. Změnou množství SAM, který potahujete na substrát, lze změnit stupeň hydrofobicity. Konkrétní superhydrofobní SAM mají hydrofobní hlavní skupinu vázající se na substrát. V jednom takovém práci, 1-dodekanthiol (DT, CH 3 (CH 2 ) 11 SH), je sestaven na Pt / ZnO / SiO 2 kompozitní substrát, výrobu kontaktních úhly 170,3 °. Jednovrstevné vrstvy lze také odstranit zdrojem ultrafialového záření, což snižuje hydrofobicitu.

Superhydrofobní povrchy jsou schopné stabilizovat Leidenfrostův efekt tím, že stabilizují parní vrstvu. Jakmile je vrstva páry vytvořena, ochlazení nikdy vrstvu nerozbije a nedojde k varu nukleace ; vrstva se místo toho pomalu uvolňuje, dokud se povrch neochladí.

Výroba superhydrofobních polymerních povrchů s kontrolovanou geometrií může být nákladná a časově náročná, ale malý počet komerčních zdrojů poskytuje vzorky pro výzkumné laboratoře.

Potenciální aplikace

Test superhydrofobní barvy.

Aktivní nedávný výzkum superhydrofobních materiálů může nakonec vést k průmyslovým aplikacím. Některé pokusy o výrobu superhydrofobního povrchu zahrnují napodobování povrchu lotosového listu, konkrétně dvouúrovňovou charakteristiku. To vyžaduje povrchy v malém měřítku s typicky nanometrickými funkcemi nad nimi. Například byla popsána jednoduchá rutina potahování bavlněné tkaniny částicemi oxidu křemičitého nebo titanu metodou sol-gel , která chrání tkaninu před UV zářením a činí ji superhydrofobní. Podobně mohou být nanočástice oxidu křemičitého naneseny na již hydrofobní uhlíkovou tkaninu. Uhlíková tkanina je sama o sobě identifikována jako inherentně hydrofobní, ale nerozlišuje se jako superhydrofobní, protože její kontaktní úhel není vyšší než 150 °. S adhezí nanočástic oxidu křemičitého se dosahují kontaktní úhly až 162 °. Použití nanočástic oxidu křemičitého je také zajímavé pro vývoj transparentních hydrofobních materiálů pro čelní skla automobilů a samočisticí okna. Potažením již transparentního povrchu nano-silikou asi 1%hmotn. Lze kapkové kontaktní úhly zvýšit až na 168 ° s 12 ° klouzavým úhlem.

Byla popsána účinná rutina pro výrobu lineárního polyetylenu s nízkou hustotou superhydrofobní a tedy samočisticí; 99% nečistot usazených na takovém povrchu se snadno smývá. Vzorované superhydrofobní povrchy mají také přísliby pro mikrofluidní zařízení lab-on-a-chip a mohou drasticky zlepšit povrchovou bioanalýzu. V textilním průmyslu se superhydrofobicitou rozumí statické úhly odvalení vody 20 ° nebo méně. Příkladem superhydrofobního efektu v živé aplikaci je tým Alinghi in America's Cup využívající speciálně upravené plachetní vesty. Léčba je vytvářena částicemi o velikosti mikrometrů v kombinaci s tradiční fluorovou chemií.

V nedávné době došlo k vývoji super hydrofobního papíru, který má jedinečné vlastnosti pro své použití v papírenské elektronice a lékařském průmyslu. Papír je syntetizován v organickém volném médiu, které je šetrné k životnímu prostředí. Papír má antimikrobiální vlastnosti, protože nedrží vlhkost, takže je ideální pro chirurgické aplikace. Tento papír může být obrovským průlomem pro papírenský elektronický průmysl. Odolnost vůči vodným a organickým rozpouštědlům z něj činí ideální volbu při vývoji elektronických senzorů a čipů. Detekce analytů na bázi kůže je nyní možná bez poškození a nepřetržité výměny elektrod, protože tento papír bude imunní vůči potu. Díky svým nekonečným aplikacím bude tato oblast vědy o materiálu určitě více prozkoumána.

Nedávná aplikace hydrofobních struktur a materiálů je ve vývoji čipů z mikro palivových článků. Reakce v palivovém článku produkují odpadní plyn CO 2, který může být odváděn ven skrz tyto hydrofobní membrány. Membrána se skládá z mnoha mikrodutin, které umožňují úniku plynu, zatímco její hydrofobní charakteristika zabraňuje úniku kapalného paliva. Přilétne více paliva, aby se nahradil objem dříve udržovaný odpadním plynem, a reakce může pokračovat.

Dobře známá aplikace ultrahydrofobních povrchů je na výměnících tepla, kde mohou zlepšit vylučování kapiček a dokonce způsobit kondenzaci přeskakujících kapek s potenciálem pro pohonné jednotky, topení a klimatizaci a odsolování . Oxidy vzácných zemin, u nichž bylo zjištěno, že vykazují vnitřně hydrofobní povrchy, nabízejí alternativu k povrchovým nátěrům, což umožňuje vývoj tepelně stabilních hydrofobních povrchů pro výměníky tepla pracující při vysokých teplotách Byly také vyrobeny ultrahydrofobní odsolovací membrány pro membránovou destilaci pro zlepšení odolnosti proti zanášení, které lze efektivně vyrobit chemickým napařováním .

Bylo také navrženo, že superhydrofobní povrchy mohou také odpuzovat led nebo bránit hromadění ledu, což vede k fenoménu ledové fobicity . Ne každý superhydrofobní povrch je ledový a přístup je stále ve vývoji. Zejména je tvorba mrazu na celém povrchu nevyhnutelná v důsledku nežádoucího šíření zmrazovacích vln mezi kapkami iniciovaného okraji vzorku. Kromě toho tvorba mrazu přímo vede ke zvýšené přilnavosti k mrazu, což představuje vážné výzvy pro následný proces odmrazování. Vytvořením hierarchického povrchu lze potlačit šíření mezi kapkami mrazivé vlny, zatímco lze podpořit odstraňování ledu/mrazu. Vylepšené výkony jsou dány především aktivací efektu okraje mikroškály v hierarchickém povrchu, což zvyšuje energetickou bariéru pro přemostění ledu a také vyvolává kapalinové mazání během procesu odmrazování/odmrazování.

Schopnost obalu zcela vyprázdnit viskózní kapalinu je do určité míry závislá na povrchové energii vnitřních stěn nádoby. Použití superhydrofobních povrchů je užitečné, ale může být dále zlepšeno použitím nových povrchů impregnovaných mazivem.

Viz také

Reference

externí odkazy