{"id":1825,"date":"2019-05-22T02:48:07","date_gmt":"2019-05-22T02:48:07","guid":{"rendered":"http:\/\/www.meetyoucarbide.com\/single-post-from-nature-to-bionics-the-past-and-present-of-superhydrophobic-materials\/"},"modified":"2020-05-04T13:12:03","modified_gmt":"2020-05-04T13:12:03","slug":"from-nature-to-bionics-the-past-and-present-of-superhydrophobic-materials","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/von-der-natur-zur-bionik-die-vergangenheit-und-gegenwart-der-superhydrophoben-materialien\/","title":{"rendered":"Von der Natur zur Bionik: Vergangenheit und Gegenwart superhydrophober Materialien"},"content":{"rendered":"
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Was ist ein superhydrophobes Material?<\/h2>\n
Das superhydrophobe Material ist ein Material, das Wasser abst\u00f6\u00dft, und die Wassertr\u00f6pfchen werden nicht gleitf\u00e4hig auf seiner Oberfl\u00e4che verteilt, um die Kugelform beizubehalten, wodurch der Effekt der rollenden Selbstreinigung erzielt wird. Die Benetzbarkeit ist eine der wichtigen Eigenschaften der Oberfl\u00e4che fester Materialien. Zu den Schl\u00fcsselfaktoren, die die Oberfl\u00e4chenbenetzungseigenschaften des Materials bestimmen, geh\u00f6ren die chemische Zusammensetzung der Materialoberfl\u00e4che und die mikroskopische Geometrie der Oberfl\u00e4che. Daher haben Wissenschaftler eine Oberfl\u00e4che mit einem statischen Wasserkontaktwinkel von mehr als 150\u00b0 und einem Rollwinkel von weniger als 10\u00b0, die als superhydrophobe Oberfl\u00e4che bezeichnet wird. Superhydrophobe Materialien haben im Allgemeinen eine Mikro-Nano-Verbundstruktur und eine Chemikalie mit niedriger Oberfl\u00e4chenenergie, was auch eine Voraussetzung daf\u00fcr ist, ein superhydrophobes Material zu werden. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie Selbstreinigung, \u00d6l-Wasser-Trennung, Korrosionsbest\u00e4ndigkeit, Vereisungsschutz und Antibeschlag wurden superhydrophobe Oberfl\u00e4chen in den letzten Jahren von Materialwissenschaftlern favorisiert, was eine gro\u00dfe Anzahl von Wissenschaftlern dazu veranlasste, in die zu investieren Erforschung superhydrophober Materialien.<\/div>\n
In fact, more than 2,000 years ago, people found that some plants grow in the sludge, but its leaves are almost always clean, a typical example is the lotus leaf. Lotus flowers usually grow in swamps and shallow waters, but they have the characteristics of \u201csludge and not dyeing\u201d, which makes the lotus flower a symbol of purity for thousands of years. Dust and dirt on the lotus leaf can be easily carried away by dewdrops and rain, keeping the surface clean. Scientists call this sub-cleaning phenomenon “the lotus effect.”<\/div>\n
However, the mechanism of the lotus leaf always kept clean has not been known until the development of scanning electron microscopy (SEM) in the mid-1960s, and people gradually unveiled the secret of the lotus leaf. In 1977, Barthlott and Neinhuis of the University of Berne, Germany, studied the surface structure of the lotus leaf by scanning electron microscopy (as shown in Figure 1). It is revealed that the micron mastoid structure on the surface of the lotus leaf and the wax substance are the key to its self-cleaning function. They believe that the resulting “leaf effect” is caused by a combination of a low surface energy material such as a waxy substance and a micron rough structure of the milky process.<\/div>\n
Studien haben gezeigt, dass eine gro\u00dfe Anzahl mikrometergro\u00dfer wachsartiger Mikroemulsionsstrukturen auf der Oberfl\u00e4che des Lotusblatts verteilt sind (Abb. 1 (a)); eine gro\u00dfe Anzahl von feinverzweigten Strukturen im Nanoma\u00dfstab sind auf jedem Mastoid verteilt (Abb. 1(b)); Dar\u00fcber hinaus befinden sich auf der Epidermis des Lotusblatts viele wachsartige dreidimensionale d\u00fcnne R\u00f6hren (Abb. 1(c)). Eine solche Mikro-Nano-Verbundstruktur f\u00fchrt zu einer geringen Kontaktfl\u00e4che zwischen den Wassertropfen und der Oberfl\u00e4che des Lotusblatts. Daher wirken die Oberfl\u00e4chenwachskomponente 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\u00b0 bzw. 2\u00b0. Die Wassertr\u00f6pfchen sind auf der Oberfl\u00e4che des Lotusblatts fast kugelf\u00f6rmig und k\u00f6nnen frei in alle Richtungen rollen, w\u00e4hrend sie den Staub auf der Oberfl\u00e4che des Lotusblatts entfernen, was einen guten Selbstreinigungseffekt zeigt (Abb. 1(d)). Der Lotuseffekt, d. h. die selbstreinigende Oberfl\u00e4che, zeigt eine starke Anti-Verschmutzungsf\u00e4higkeit, wenn der Kontaktwinkel mit Wasser gr\u00f6\u00dfer als 150\u00b0 ist, d. h. Oberfl\u00e4chenverunreinigungen wie Staub k\u00f6nnen von den fallenden Wassertr\u00f6pfchen weggetragen werden, ohne keine Spuren hinterlassen.<\/div>\n

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Abbildung 1 REM-Aufnahme der Lotusblattoberfl\u00e4che<\/div>\n
In addition to lotus leaves, there are many plants and animals in the world that are superhydrophobic. The water droplets on the leaves of the rice are more individual than the water droplets on the surface of the lotus leaf. Unlike the water droplets on the surface of the lotus leaf, which can roll in any direction, the water droplets on the leaves of the rice can easily roll in the direction of the blade growth, while it is more difficult to roll in the vertical direction. This is because the rice leaves have a line-oriented array of protrusions and a one-dimensional groove structure (Fig. 2(a)). In the direction horizontal to the growth of the blade, the rolling angle of the droplet is 3\u00b0 – 5\u00b0, and in the vertical direction, the rolling angle is 9\u00b0 – 15\u00b0. The linear alignment of the mastoid structure on the surface of the rice leaf provides the droplets with different energy barriers that infiltrate in both directions. Similar to the wings of a butterfly, when the butterfly wings are fanned, the water droplets will roll along the axis of the axis so that the droplets do not wet the body of the butterfly. It turns out that the butterfly wings are covered by a large number of micro-nano scales oriented along the axis of the axis (Fig. 2(b)). This highly directional micro-nano structure effectively affects the wetting behavior of water droplets, so that water droplets can easily roll away in the radial direction while being embedded in the opposite direction. Two different states can be adjusted by controlling the posture of the flapping of the wings or the direction of the air passing through the surface of the wings. This anisotropic adhesion allows the butterfly wings to be directionally cleaned in a humid environment, ensuring stability during flight and avoiding dust accumulation.<\/div>\n
Unlike small water droplets on the surface of the lotus leaf that can be easily rolled, the small drops of water on the rose petals tend to adhere to the surface. Through microscopic exploration of rose petals, the scientists found that the surface of rose petals is composed of micron-sized mastoids, while at the tip of the mastoids, there are many nano-scale folded structures, and this nano-folding structure is the result of high adhesion of rose petals. The key factor (Figure 2 (c)). Gas can be present in the nano-folded structure, while water can easily penetrate between the micro-mammary. The same thing as the rose petals is the gecko’s sole. The gecko’s sole is super-hydrophobic and self-cleaning, but what excites scientists is that the gecko’s sole has an ultra-adhesive ability to move freely on a smooth surface. This is due to the well-aligned micronized bristles on the surface of the gecko’s sole, which are composed of hundreds of smaller nanoscale ends (Fig. 2(d)). The Van der Waals force generated by the contact between the nanotips of the gecko bristles and the solid surface is the support of the gecko to crawl at various angles.<\/div>\n
The mosquito compound eyes are arranged with tight hexagonal small eyes, and a tight hexagonal protrusion is arranged on each small eye (Fig. 2(e)). This unique composite structure makes the compound eyes of mosquitoes extremely hydrophobic. When the mosquito is exposed to a misty environment, it can be found that very small droplets are not formed on the surface of the mosquito’s eye, and a large amount of droplets are condensed on the fluff around the mosquito’s eye. This extremely hydrophobic nature prevents the droplets from adhering and agglomerating on the surface of the mosquito’s eyes, giving the mosquito a clear view. This discovery provides an inspiring research idea for the development of dry anti-fog surface materials.<\/div>\n
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 Wasseroberfl\u00e4che steht, bilden seine Beine einen Wirbel mit einer Tiefe von etwa 4 mm, anstatt die Wasseroberfl\u00e4che 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 gro\u00dfe Anzahl geordneter streifenartiger Mikrostrukturen bedeckte die Beine des Blutegels, wobei diese Mikrostrukturen in einem Winkel von etwa 20\u00b0 orientiert waren, und Jede Mikrostreifenstruktur besteht aus einer spiralf\u00f6rmigen Nanorille (Abb. 2 (f)). Diese einzigartige geschichtete Mikro-Nano-Multiskalenstruktur f\u00e4ngt effektiv Gas zwischen dem Blutegelbein und der Wasseroberfl\u00e4che ein, um einen starken Gasfilm zu bilden. Die robuste, superhydrophobe F\u00e4higkeit der Otterbeine inspiriert das Design neuer Wasserger\u00e4te.<\/div>\n

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Abb. 2 Unterschiedliche Mikrostruktur verschiedener Tiere<\/div>\n
Natural Revelation: From the “Lotus Effect” of Self-cleaning Surfaces to the Construction of Superhydrophobic Surfaces<\/div>\n
Menschliches Gesetz, Erdgesetz, Himmel und Gesetz, Tao-Gesetz ist nat\u00fcrlich. Durch das Studium der Bl\u00e4tter von Pflanzen mit Superhydrophobie in der Natur kann man erkennen, dass die Herstellung von superhydrophoben Oberfl\u00e4chen zwei Bedingungen erfordert: Eine ist, dass die Oberfl\u00e4che des Materials eine sehr niedrige Oberfl\u00e4chenenergie hat; das andere ist, dass die Oberfl\u00e4che des festen Materials eine gewisse Rauhigkeit hat und einen Mikrometer hat. Und die duale Struktur von Nano.<\/div>\n
Ausgehend vom statischen Kontaktwinkel der Festk\u00f6rperoberfl\u00e4che liegt der Schl\u00fcssel zur Bestimmung der Lyophobie der Festk\u00f6rperoberfl\u00e4che in der chemischen Zusammensetzung der Materialoberfl\u00e4che, und die Rauheit der Oberfl\u00e4che verst\u00e4rkt diesen Effekt nur noch. Daher ist es beim Aufbau einer superhydrophoben festen Oberfl\u00e4che im Allgemeinen so, eine raue Oberfl\u00e4che auf einer Oberfl\u00e4che mit niedriger Oberfl\u00e4chenenergie zu konstruieren oder eine Substanz mit niedriger Oberfl\u00e4chenenergie auf einer rauen Oberfl\u00e4che zu modifizieren. Zuerst begann man, die Herstellung von Materialien mit niedriger Oberfl\u00e4chenenergie zu untersuchen, und fand heraus, dass die festen Materialien mit der niedrigsten Oberfl\u00e4chenenergie Siloxane und fluorhaltige Materialien sind. Darunter sind fluorhaltige Materialien die hervorragendsten, und ihre Oberfl\u00e4chenenergie ist etwa 10 mN\/m niedriger als die von Siloxan, und Fluor hat den kleinsten Atomradius aller Elemente au\u00dfer Wasserstoff. Es hat eine starke Elektronegativit\u00e4t, eine hohe Fluorkohlenstoff-Bindungsenergie, eine niedrige Koh\u00e4sionsenergie und eine hohe thermische Stabilit\u00e4t und chemische Stabilit\u00e4t. Es hat die Eigenschaften Hitzebest\u00e4ndigkeit, Wetterbest\u00e4ndigkeit, Chemikalienbest\u00e4ndigkeit und niedrigen Brechungsindex. Wenn die Oberfl\u00e4che des Materials \u2013 CF3-Gruppen in einer dicht gepackten Anordnung von Sechsecken gestapelt sind, hat die feste Oberfl\u00e4che die niedrigste Oberfl\u00e4chenspannung von 6,7 mJ\/m 2 . Daher sind die meisten derzeit hergestellten Materialien mit niedriger Oberfl\u00e4chenenergie haupts\u00e4chlich fluorhaltige Materialien. Dar\u00fcber hinaus hat man begonnen, verschiedene Verfahren zur Steuerung der Oberfl\u00e4chenstruktur auszuprobieren, um superhydrophobe Beschichtungen herzustellen. Gegenw\u00e4rtig werden \u00fcblicherweise Schicht-f\u00fcr-Schicht-Selbstanordnungsverfahren, physikalische oder chemische Dampfabscheidungsverfahren, \u00c4tzverfahren, Schablonenverfahren, elektrostatische Spr\u00fchverfahren und Sol-Gel-Verfahren verwendet.<\/div>\n
Chancen und Herausforderungen f\u00fcr superhydrophobe Materialien: Haltbarkeit und Transparenz<\/div>\n
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 gr\u00f6\u00dfte Herausforderung ist Haltbarkeit und Transparenz. Die hydrophobe Beschichtung hat eine schlechte Haftung auf dem Substrat, und die raue Struktur ist au\u00dferdem sehr br\u00fcchig. Wenn die Oberfl\u00e4che mechanischen Einwirkungen wie St\u00f6\u00dfen und Reibung ausgesetzt wird, wird sie leicht besch\u00e4digt und verliert superhydrophobe Eigenschaften. Daher ist die Entwicklung einer superhydrophoben Beschichtung mit stabiler Reibung oder einer superhydrophoben Oberfl\u00e4che mit selbstreparierender Funktion zu einem dringenden Problem auf dem Forschungsgebiet der superhydrophoben Materialien geworden. Im Allgemeinen wird die Oberfl\u00e4che, um superhydrophob zu werden, eine gewisse Rauheit aufweisen, und je gr\u00f6\u00dfer die Rauheit, desto gr\u00f6\u00dfer der Brechungsindex und desto geringer die Transparenz. Dies schr\u00e4nkt die Anwendung von superhydrophoben Materialien auf optische Vorrichtungen stark ein.<\/div>\n

Fazit<\/h2>\n
Von der Natur bis zur Bionik, superhydrophobe Materialien gingen vom Lotusblatt aus und wurden bis heute entwickelt. Wissenschaftler haben nie aufgeh\u00f6rt, die Natur zu erforschen. Ich glaube, wenn wir unsere Erforschung der Natur vertiefen, wird sich unser Verst\u00e4ndnis der Natur weiter vertiefen, und das Gebiet der Superhydrophobie wird sicherlich gr\u00f6\u00dfere Fortschritte machen.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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What is a superhydrophobic material? The superhydrophobic material is a material that is repulsive to water, and the water droplets are not slidably spread on the surface thereof to maintain the spherical shape, thereby achieving the effect of rolling self-cleaning. Wettability is one of the important properties of the surface of solid materials. The key…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1825"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1825"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1825\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1825"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1825"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1825"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}