Von der Natur zur Bionik: Vergangenheit und Gegenwart superhydrophober Materialien

Das superhydrophobe Material ist ein Material, das Wasser abstößt, und die Wassertröpfchen werden nicht gleitfähig auf seiner Oberfläche verteilt, um die Kugelform beizubehalten, wodurch der Effekt der rollenden Selbstreinigung erzielt wird. Die Benetzbarkeit ist eine der wichtigen Eigenschaften der Oberfläche fester Materialien. Zu den Schlüsselfaktoren, die die Oberflächenbenetzungseigenschaften des Materials bestimmen, gehören die chemische Zusammensetzung der Materialoberfläche und die mikroskopische Geometrie der Oberfläche. Daher haben Wissenschaftler eine Oberfläche mit einem statischen Wasserkontaktwinkel von mehr als 150° und einem Rollwinkel von weniger als 10°, die als superhydrophobe Oberfläche bezeichnet wird. Superhydrophobe Materialien haben im Allgemeinen eine Mikro-Nano-Verbundstruktur und eine Chemikalie mit niedriger Oberflächenenergie, was auch eine Voraussetzung dafür ist, ein superhydrophobes Material zu werden. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie Selbstreinigung, Öl-Wasser-Trennung, Korrosionsbeständigkeit, Vereisungsschutz und Antibeschlag wurden superhydrophobe Oberflächen in den letzten Jahren von Materialwissenschaftlern favorisiert, was eine große Anzahl von Wissenschaftlern dazu veranlasste, in die zu investieren Erforschung superhydrophober Materialien.

Tatsächlich fanden die Menschen vor mehr als 2.000 Jahren heraus, dass einige Pflanzen im Schlamm wachsen, aber seine Blätter fast immer sauber sind, ein typisches Beispiel ist das Lotusblatt. Lotusblumen wachsen normalerweise in Sümpfen und seichten Gewässern, aber sie haben die Eigenschaften „Schlamm und nicht Färben“, was die Lotusblume seit Jahrtausenden zu einem Symbol der Reinheit macht. Staub und Schmutz auf dem Lotusblatt können leicht von Tautropfen und Regen weggetragen werden, wodurch die Oberfläche sauber bleibt. Wissenschaftler nennen dieses Unterreinigungsphänomen den „Lotuseffekt“.

Der Mechanismus des immer sauber gehaltenen Lotusblattes war jedoch bis zur Entwicklung der Rasterelektronenmikroskopie (REM) Mitte der 1960er Jahre nicht bekannt, und die Menschen lüfteten nach und nach das Geheimnis des Lotusblattes. 1977 untersuchten Barthlott und Neinhuis von der Universität Bern, Deutschland, die Oberflächenstruktur des Lotusblattes durch Rasterelektronenmikroskopie (wie in Abbildung 1 gezeigt). Es zeigt sich, dass die mikronische Mastoidstruktur auf der Oberfläche des Lotusblattes und die Wachssubstanz der Schlüssel zu seiner Selbstreinigungsfunktion sind. Sie glauben, dass der resultierende „Blatteffekt“ durch eine Kombination aus einem Material mit niedriger Oberflächenenergie wie einer wachsartigen Substanz und einer mikrometerrauen Struktur des milchigen Prozesses verursacht wird.

Studien haben gezeigt, dass eine große Anzahl mikrometergroßer wachsartiger Mikroemulsionsstrukturen auf der Oberfläche des Lotusblatts verteilt sind (Abb. 1 (a)); eine große Anzahl von feinverzweigten Strukturen im Nanomaßstab sind auf jedem Mastoid verteilt (Abb. 1(b)); Darüber hinaus befinden sich auf der Epidermis des Lotusblatts viele wachsartige dreidimensionale dünne Röhren (Abb. 1(c)). Eine solche Mikro-Nano-Verbundstruktur führt zu einer geringen Kontaktfläche zwischen den Wassertropfen und der Oberfläche des Lotusblatts. Daher wirken die Oberflächenwachskomponente des Lotusblatts und die Mikro-/Nano-Verbundstruktur zusammen, um dem Lotusblatt eine einzigartige Superhydrophobie und eine geringe Haftung zu verleihen. Der Kontaktwinkel und der Rollwinkel des Wassers auf dem Lotusblatt betragen etwa 160° bzw. 2°. Die Wassertröpfchen sind auf der Oberfläche des Lotusblatts fast kugelförmig und können frei in alle Richtungen rollen, während sie den Staub auf der Oberfläche des Lotusblatts entfernen, was einen guten Selbstreinigungseffekt zeigt (Abb. 1(d)). Der Lotuseffekt, d. h. die selbstreinigende Oberfläche, zeigt eine starke Anti-Verschmutzungsfähigkeit, wenn der Kontaktwinkel mit Wasser größer als 150° ist, d. h. Oberflächenverunreinigungen wie Staub können von den fallenden Wassertröpfchen weggetragen werden, ohne keine Spuren hinterlassen.

Abbildung 1 REM-Aufnahme der Lotusblattoberfläche

Neben Lotusblättern gibt es viele Pflanzen und Tiere auf der Welt, die superhydrophob sind. Die Wassertropfen auf den Reisblättern sind individueller als die Wassertropfen auf der Oberfläche des Lotusblattes. Im Gegensatz zu den Wassertropfen auf der Oberfläche des Lotusblattes, die in jede Richtung rollen können, können die Wassertropfen auf den Blättern des Reises leicht in Richtung des Blattwachstums rollen, während es in vertikaler Richtung schwieriger ist, zu rollen . Dies liegt daran, dass die Reisblätter eine linienorientierte Anordnung von Vorsprüngen und eine eindimensionale Rillenstruktur aufweisen (Abb. 2(a)). In horizontaler Richtung zum Wachstum der Schaufel beträgt der Rollwinkel des Tropfens 3° – 5°, und in vertikaler Richtung beträgt der Rollwinkel 9° – 15°. Die lineare Ausrichtung der Mastoidstruktur auf der Oberfläche des Reisblattes bietet den Tröpfchen unterschiedliche Energiebarrieren, die in beide Richtungen eindringen. Ähnlich wie bei den Flügeln eines Schmetterlings rollen die Wassertropfen beim Auffächern der Schmetterlingsflügel entlang der Achse der Achse, sodass die Tropfen den Körper des Schmetterlings nicht benetzen. Es stellt sich heraus, dass die Schmetterlingsflügel von einer großen Anzahl von Mikro-Nano-Schuppen bedeckt sind, die entlang der Achse der Achse ausgerichtet sind (Abb. 2(b)). Diese stark gerichtete Mikro-Nano-Struktur beeinflusst effektiv das Benetzungsverhalten von Wassertropfen, sodass Wassertropfen leicht in radialer Richtung wegrollen können, während sie in der entgegengesetzten Richtung eingebettet werden. Zwei verschiedene Zustände können eingestellt werden, indem die Haltung des Flügelschlags oder die Richtung der Luft, die durch die Oberfläche der Flügel strömt, gesteuert wird. Diese anisotrope Haftung ermöglicht eine gerichtete Reinigung der Schmetterlingsflügel in einer feuchten Umgebung, was die Stabilität während des Fluges gewährleistet und Staubansammlungen vermeidet.

Im Gegensatz zu kleinen Wassertropfen auf der Oberfläche des Lotusblattes, die sich leicht rollen lassen, neigen die kleinen Wassertropfen auf den Rosenblättern dazu, an der Oberfläche zu haften. Durch mikroskopische Untersuchung von Rosenblättern fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Oberfläche von Rosenblättern aus mikrometergroßen Mastoiden besteht, während an der Spitze der Mastoide viele nanoskalige Faltstrukturen vorhanden sind, und diese Nanofaltstruktur ist das Ergebnis von hoher Haftung von Rosenblättern. Der Schlüsselfaktor (Abbildung 2 (c)). In der nanogefalteten Struktur kann Gas vorhanden sein, während Wasser leicht zwischen die Mikrobrustdrüsen eindringen kann. Das gleiche wie die Rosenblätter ist die Sohle des Geckos. Die Sohle des Geckos ist superhydrophob und selbstreinigend, aber was Wissenschaftler begeistert, ist, dass die Sohle des Geckos eine ultra-haftende Fähigkeit hat, sich auf einer glatten Oberfläche frei zu bewegen. Dies ist auf die gut ausgerichteten mikronisierten Borsten auf der Oberfläche der Sohle des Geckos zurückzuführen, die aus Hunderten kleinerer Enden im Nanomaßstab bestehen (Abb. 2(d)). Die durch den Kontakt zwischen den Nanospitzen der Geckoborsten und der festen Oberfläche erzeugte Van-der-Waals-Kraft unterstützt den Gecko beim Kriechen in verschiedenen Winkeln.

Die Facettenaugen der Moskitos sind mit engen sechseckigen kleinen Augen angeordnet, und an jedem kleinen Auge ist ein enger sechseckiger Vorsprung angeordnet (Fig. 2(e)). Diese einzigartige Verbundstruktur macht die Facettenaugen von Moskitos extrem hydrophob. Wenn die Mücke einer nebligen Umgebung ausgesetzt wird, kann festgestellt werden, dass sehr kleine Tröpfchen nicht auf der Oberfläche des Mückenauges gebildet werden und eine große Menge an Tröpfchen auf dem Flaum um das Mückenauge herum kondensiert. Diese extrem hydrophobe Natur verhindert, dass die Tröpfchen an der Oberfläche der Augen der Mücke haften und agglomerieren, wodurch die Mücke eine klare Sicht hat. Diese Entdeckung liefert eine inspirierende Forschungsidee für die Entwicklung von trockenen Antibeschlag-Oberflächenmaterialien.

Der Otter kann leicht laufen oder sogar auf das Wasser springen. Das Geheimnis ist die starke Superhydrophobie seiner behaarten Beine. Wenn der Otter auf der Wasseroberfläche steht, bilden seine Beine einen Wirbel mit einer Tiefe von etwa 4 mm, anstatt die Wasseroberfläche zu durchdringen. Jedes Bein hat eine starke und dauerhafte superhydrophobe Kraft, die etwa das 15-fache seines Gewichts tragen kann. Gleichzeitig wurde auch die spezielle Mikrostruktur des Egelbeins gefunden, und eine große Anzahl geordneter streifenartiger Mikrostrukturen bedeckte die Beine des Blutegels, wobei diese Mikrostrukturen in einem Winkel von etwa 20° orientiert waren, und Jede Mikrostreifenstruktur besteht aus einer spiralförmigen Nanorille (Abb. 2 (f)). Diese einzigartige geschichtete Mikro-Nano-Multiskalenstruktur fängt effektiv Gas zwischen dem Blutegelbein und der Wasseroberfläche ein, um einen starken Gasfilm zu bilden. Die robuste, superhydrophobe Fähigkeit der Otterbeine inspiriert das Design neuer Wassergeräte.

Abb. 2 Unterschiedliche Mikrostruktur verschiedener Tiere

Natürliche Offenbarung: Vom „Lotuseffekt“ selbstreinigender Oberflächen zum Aufbau superhydrophober Oberflächen

Menschliches Gesetz, Erdgesetz, Himmel und Gesetz, Tao-Gesetz ist natürlich. Durch das Studium der Blätter von Pflanzen mit Superhydrophobie in der Natur kann man erkennen, dass die Herstellung von superhydrophoben Oberflächen zwei Bedingungen erfordert: Eine ist, dass die Oberfläche des Materials eine sehr niedrige Oberflächenenergie hat; das andere ist, dass die Oberfläche des festen Materials eine gewisse Rauhigkeit hat und einen Mikrometer hat. Und die duale Struktur von Nano.

Ausgehend vom statischen Kontaktwinkel der Festkörperoberfläche liegt der Schlüssel zur Bestimmung der Lyophobie der Festkörperoberfläche in der chemischen Zusammensetzung der Materialoberfläche, und die Rauheit der Oberfläche verstärkt diesen Effekt nur noch. Daher ist es beim Aufbau einer superhydrophoben festen Oberfläche im Allgemeinen so, eine raue Oberfläche auf einer Oberfläche mit niedriger Oberflächenenergie zu konstruieren oder eine Substanz mit niedriger Oberflächenenergie auf einer rauen Oberfläche zu modifizieren. Zuerst begann man, die Herstellung von Materialien mit niedriger Oberflächenenergie zu untersuchen, und fand heraus, dass die festen Materialien mit der niedrigsten Oberflächenenergie Siloxane und fluorhaltige Materialien sind. Darunter sind fluorhaltige Materialien die hervorragendsten, und ihre Oberflächenenergie ist etwa 10 mN/m niedriger als die von Siloxan, und Fluor hat den kleinsten Atomradius aller Elemente außer Wasserstoff. Es hat eine starke Elektronegativität, eine hohe Fluorkohlenstoff-Bindungsenergie, eine niedrige Kohäsionsenergie und eine hohe thermische Stabilität und chemische Stabilität. Es hat die Eigenschaften Hitzebeständigkeit, Wetterbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit und niedrigen Brechungsindex. Wenn die Oberfläche des Materials – CF3-Gruppen in einer dicht gepackten Anordnung von Sechsecken gestapelt sind, hat die feste Oberfläche die niedrigste Oberflächenspannung von 6,7 mJ/m 2 . Daher sind die meisten derzeit hergestellten Materialien mit niedriger Oberflächenenergie hauptsächlich fluorhaltige Materialien. Darüber hinaus hat man begonnen, verschiedene Verfahren zur Steuerung der Oberflächenstruktur auszuprobieren, um superhydrophobe Beschichtungen herzustellen. Gegenwärtig werden üblicherweise Schicht-für-Schicht-Selbstanordnungsverfahren, physikalische oder chemische Dampfabscheidungsverfahren, Ätzverfahren, Schablonenverfahren, elektrostatische Sprühverfahren und Sol-Gel-Verfahren verwendet.

Chancen und Herausforderungen für superhydrophobe Materialien: Haltbarkeit und Transparenz

Obwohl superhydrophobe Materialien im wirklichen Leben breite Anwendungsaussichten haben, gibt es noch viele Schwierigkeiten, die breite Anwendung der Superhydrophobie in der Praxis zu realisieren, und die größte Herausforderung ist Haltbarkeit und Transparenz. Die hydrophobe Beschichtung hat eine schlechte Haftung auf dem Substrat, und die raue Struktur ist außerdem sehr brüchig. Wenn die Oberfläche mechanischen Einwirkungen wie Stößen und Reibung ausgesetzt wird, wird sie leicht beschädigt und verliert superhydrophobe Eigenschaften. Daher ist die Entwicklung einer superhydrophoben Beschichtung mit stabiler Reibung oder einer superhydrophoben Oberfläche mit selbstreparierender Funktion zu einem dringenden Problem auf dem Forschungsgebiet der superhydrophoben Materialien geworden. Im Allgemeinen wird die Oberfläche, um superhydrophob zu werden, eine gewisse Rauheit aufweisen, und je größer die Rauheit, desto größer der Brechungsindex und desto geringer die Transparenz. Dies schränkt die Anwendung von superhydrophoben Materialien auf optische Vorrichtungen stark ein.

Von der Natur bis zur Bionik, superhydrophobe Materialien gingen vom Lotusblatt aus und wurden bis heute entwickelt. Wissenschaftler haben nie aufgehört, die Natur zu erforschen. Ich glaube, wenn wir unsere Erforschung der Natur vertiefen, wird sich unser Verständnis der Natur weiter vertiefen, und das Gebiet der Superhydrophobie wird sicherlich größere Fortschritte machen.