सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्री क्या है?

सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्री एक ऐसी सामग्री है जो पानी के लिए प्रतिकारक है, और पानी की बूंदों को गोलाकार आकार बनाए रखने के लिए सतह पर नहीं फैलाया जाता है, जिससे रोलिंग स्व-सफाई का प्रभाव प्राप्त होता है। Wettability ठोस पदार्थों की सतह के महत्वपूर्ण गुणों में से एक है। सामग्री के सतह गीला करने वाले गुणों का निर्धारण करने वाले प्रमुख कारकों में सामग्री की सतह की रासायनिक संरचना और सतह के सूक्ष्म ज्यामिति शामिल हैं। इसलिए, वैज्ञानिकों के पास 150 ° से अधिक स्थिर जल संपर्क कोण और 10 ° से कम रोलिंग कोण के साथ एक सतह है जिसे सुपरहाइड्रोफोबिक सतह कहा जाता है। सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्री में आम तौर पर एक माइक्रो-नैनो कम्पोजिट संरचना और एक कम सतह ऊर्जा रासायनिक होता है, जो सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्री बनने के लिए भी एक शर्त है। स्व-सफाई, तेल-जल पृथक्करण, संक्षारण प्रतिरोध, एंटी-आइसिंग और एंटी-फॉग की अपनी उत्कृष्ट विशेषताओं के कारण, सुपर-हाइड्रोफोबिक सतहों को हाल के वर्षों में भौतिक वैज्ञानिकों द्वारा पसंद किया गया है, बड़ी संख्या में वैज्ञानिकों को निवेश करने के लिए आकर्षित किया है। सुपर-हाइड्रोफोबिक सामग्रियों का अनुसंधान।
वास्तव में, 2,000 से अधिक साल पहले, लोगों ने पाया कि कुछ पौधे कीचड़ में उगते हैं, लेकिन इसकी पत्तियां लगभग हमेशा साफ होती हैं, एक विशिष्ट उदाहरण कमल का पत्ता है। कमल के फूल आमतौर पर दलदल और उथले पानी में उगते हैं, लेकिन उनमें "कीचड़ और रंगाई नहीं" की विशेषताएं होती हैं, जो कमल के फूल को हजारों साल की शुद्धता का प्रतीक बनाती हैं। कमल के पत्ते पर धूल और गंदगी आसानी से ओस की बूंदों और बारिश से दूर रखी जा सकती है, जिससे सतह साफ रहती है। वैज्ञानिक इस उप-सफाई घटना को "कमल प्रभाव" कहते हैं।
हालाँकि, कमल के पत्ते के तंत्र को हमेशा साफ रखा जाता है, जब तक कि 1960 के दशक के मध्य में इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) को विकसित करने के लिए नहीं जाना जाता था, और लोगों ने धीरे-धीरे कमल के पत्ते के रहस्य का खुलासा किया। 1977 में, जर्मनी के बर्न विश्वविद्यालय के बार्थलोट और नेनुहिस ने इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी को स्कैन करके कमल के पत्ते की सतह संरचना का अध्ययन किया (जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है)। यह पता चला है कि कमल के पत्ते और मोम पदार्थ की सतह पर माइक्रोन मास्टॉयड संरचना इसके स्वयं सफाई समारोह की कुंजी है। उनका मानना है कि परिणामस्वरूप "पत्ती प्रभाव" कम सतह ऊर्जा सामग्री जैसे कि मोमी पदार्थ और दूधिया प्रक्रिया की एक माइक्रोन खुरदरी संरचना के संयोजन के कारण होता है।
अध्ययनों से पता चला है कि लॉटेन लीफ (चित्र 1 (ए)) की सतह पर बड़ी संख्या में माइक्रोन-आकार की मोमी माइक्रोकल्शन संरचनाएं वितरित की जाती हैं; प्रत्येक मास्टॉयड (छवि 1) (बी) पर नैनो-स्केल फाइन-ब्रांक्ड संरचनाओं की एक बड़ी संख्या वितरित की जाती है; इसके अलावा, कमल के पत्ते (चित्र। 1 (सी)) के एपिडर्मिस पर कई मोमी तीन आयामी पतली ट्यूब हैं। इस तरह के सूक्ष्म नैनो समग्र संरचना के परिणामस्वरूप पानी की बूंदों और कमल के पत्ते की सतह के बीच एक कम संपर्क क्षेत्र होता है। इसलिए, कमल के पत्ते की सतह मोम घटक और सूक्ष्म / नैनो समग्र संरचना कमल के पत्ते के लिए अद्वितीय सुपरहाइड्रोफोबिसिटी और कम आसंजन प्रदान करने के लिए एक साथ काम करते हैं। कमल के पत्ते पर पानी का संपर्क कोण और रोलिंग कोण क्रमशः लगभग 160 ° और 2 ° है। कमल के पत्ते की सतह पर पानी की बूंदें लगभग गोलाकार होती हैं और कमल के पत्ते की सतह पर धूल को दूर करते हुए सभी दिशाओं में स्वतंत्र रूप से लुढ़क सकती हैं, जो एक अच्छी आत्म-सफाई प्रभाव दिखाती है (छवि 1 (डी))। कमल प्रभाव, अर्थात्, स्वयं-सफाई सतह, एक मजबूत विरोधी प्रदूषण क्षमता प्रदर्शित करता है जब पानी के साथ संपर्क कोण 150 ° से अधिक होता है, अर्थात, सतह के दूषित पदार्थ जैसे धूल को गिरने वाली पानी की बूंदों के बिना दूर किया जा सकता है कोई निशान छोड़ रहा है।

प्रकृति से बायोनिक तक: सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्रियों का अतीत और वर्तमान 1

चित्रा 1 कमल के पत्ते की सतह के SEM छवि
कमल के पत्तों के अलावा, दुनिया में कई पौधे और जानवर हैं जो सुपरहाइड्रोफोबिक हैं। कमल के पत्ते की सतह पर पानी की बूंदों की तुलना में चावल की पत्तियों पर पानी की बूंदें अधिक व्यक्तिगत होती हैं। कमल के पत्ते की सतह पर पानी की बूंदों के विपरीत, जो किसी भी दिशा में रोल कर सकते हैं, चावल की पत्तियों पर पानी की बूंदें आसानी से ब्लेड के विकास की दिशा में रोल कर सकती हैं, जबकि ऊर्ध्वाधर दिशा में रोल करना अधिक कठिन है । इसका कारण यह है कि चावल की पत्तियों में प्रोट्रूशियंस की एक पंक्ति-उन्मुख सरणी और एक आयामी नाली संरचना (छवि 2 (ए)) है। ब्लेड की वृद्धि के लिए क्षैतिज दिशा में, छोटी बूंद का रोलिंग कोण 3 ° - 5 ° है, और ऊर्ध्वाधर दिशा में, रोलिंग कोण 9 ° - 15 ° है। चावल के पत्ते की सतह पर मास्टॉयड संरचना का रैखिक संरेखण विभिन्न ऊर्जा अवरोधों के साथ बूंदों को प्रदान करता है जो दोनों दिशाओं में घुसपैठ करते हैं। एक तितली के पंखों के समान, जब तितली के पंखों को बंद कर दिया जाता है, तो पानी की बूंदें धुरी के जाल के साथ लुढ़क जाएंगी, ताकि बूंदें तितली के शरीर को गीला न करें। यह पता चलता है कि तितली के पंखों को अक्ष के अक्ष के साथ उन्मुख माइक्रो-नैनो स्केल की एक बड़ी संख्या द्वारा कवर किया गया है (छवि 2 (बी))। यह अत्यधिक दिशात्मक सूक्ष्म नैनो संरचना पानी की बूंदों के गीला व्यवहार को प्रभावी ढंग से प्रभावित करती है, जिससे पानी की बूंदें रेडियल दिशा में आसानी से लुढ़क सकती हैं जबकि विपरीत दिशा में एम्बेडेड हो सकती हैं। दो अलग-अलग राज्यों को पंखों के फड़फड़ाने की मुद्रा या पंखों की सतह से गुजरने वाली हवा की दिशा को नियंत्रित करके समायोजित किया जा सकता है। यह अनिसोट्रोपिक आसंजन तितली के पंखों को सीधे नम वातावरण में साफ करने की अनुमति देता है, उड़ान के दौरान स्थिरता सुनिश्चित करता है और संचय से बचता है।
कमल के पत्ते की सतह पर पानी की छोटी बूंदों के विपरीत जिसे आसानी से लुढ़काया जा सकता है, गुलाब की पंखुड़ियों पर पानी की छोटी बूंदें सतह का पालन करती हैं। गुलाब की पंखुड़ियों की सूक्ष्म खोज के माध्यम से, वैज्ञानिकों ने पाया कि गुलाब की पंखुड़ियों की सतह माइक्रोन के आकार के मास्टॉयड्स से बनी है, जबकि मास्टॉयड्स की नोक पर, कई नैनो-स्केल तह संरचनाएं हैं, और यह नैनो-फोल्डिंग संरचना का परिणाम है। गुलाब की पंखुड़ियों के उच्च आसंजन के। प्रमुख कारक (चित्र 2 (c))। गैस नैनो-तह संरचना में मौजूद हो सकती है, जबकि पानी सूक्ष्म स्तनधारियों के बीच आसानी से प्रवेश कर सकता है। गुलाब की पंखुड़ियों के समान ही गेको की एकमात्र है। जेको एकमात्र एकमात्र सुपर-हाइड्रोफोबिक और स्व-सफाई है, लेकिन वैज्ञानिकों को क्या उत्साहित करता है कि जेको एकमात्र में एक चिकनी सतह पर स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित करने की अल्ट्रा-चिपकने वाली क्षमता है। यह जेको के एकमात्र की सतह पर अच्छी तरह से संरेखित माइक्रोनाइज्ड ब्रिसल्स के कारण है, जो सैकड़ों छोटे नैनोस्केल सिरों (चित्र 2) (डी) से बना है। वैन डेर वाल्स बल, जो गेको ब्रिसल्स के नैनोटिप्स के बीच संपर्क से उत्पन्न होता है और ठोस सतह विभिन्न कोणों पर क्रॉल करने के लिए गेको का समर्थन है।
मच्छर मिश्रित आंखों को तंग हेक्सागोनल छोटी आंखों के साथ व्यवस्थित किया जाता है, और प्रत्येक छोटी आंख (छवि 2 (ई)) पर एक तंग हेक्सागोनल फलाव की व्यवस्था की जाती है। यह अनूठी समग्र संरचना मच्छरों की यौगिक आंखों को बेहद हाइड्रोफोबिक बनाती है। जब मच्छर एक धुंधले वातावरण में सामने आता है, तो यह पाया जा सकता है कि मच्छर की आंख की सतह पर बहुत छोटी बूंदें नहीं बनती हैं, और मच्छर की आंख के चारों ओर बड़ी मात्रा में बूंदों का संघनित होता है। यह अत्यंत हाइड्रोफोबिक प्रकृति मच्छरों की आंखों की सतह पर बूंदों का पालन और एग्लोमेरेटिंग से बचाता है, जिससे मच्छर को एक स्पष्ट दृष्टिकोण मिलता है। यह खोज शुष्क विरोधी कोहरे की सतह सामग्री के विकास के लिए एक प्रेरणादायक अनुसंधान विचार प्रदान करती है।
ऊद आसानी से चल सकता है या पानी पर भी कूद सकता है। रहस्य अपने बालों वाले पैरों की शक्तिशाली सुपरहाइड्रोफोबिसिटी है। जब ओटर पानी की सतह पर खड़ा होता है, तो उसके पैर पानी की सतह को छेदने के बजाय लगभग 4 मिमी की गहराई के साथ एक भंवर बनाते हैं। प्रत्येक पैर में एक मजबूत और टिकाऊ सुपरहाइड्रोफोबिक बल होता है जो उसके वजन का लगभग 15 गुना समर्थन कर सकता है। इसी समय, जोंक के पैर की विशेष सूक्ष्म संरचना भी पाई गई, और बड़ी संख्या में आदेशित पट्टी जैसी सूक्ष्म संरचनाएं जोंक के पैरों को कवर करती थीं, ये सूक्ष्म संरचनाएं लगभग 20 ° के कोण पर उन्मुख होती थीं, और प्रत्येक सूक्ष्म-पट्टी संरचना में यह एक सर्पिल नैनो-नाली (छवि 2 (एफ)) के होते हैं। यह अद्वितीय स्तरित माइक्रो-नैनो मल्टी-स्केल संरचना एक शक्तिशाली गैस फिल्म बनाने के लिए जोंक के पैर और पानी की सतह के बीच गैस को प्रभावी ढंग से पकड़ती है। ऊद पैरों की मजबूत, सुपर-हाइड्रोफोबिक क्षमता नए जलीय उपकरण के डिजाइन को प्रेरित करती है।

प्रकृति से बायोनिक तक: सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्रियों का अतीत और वर्तमान 2

अंजीर। 2 अलग-अलग जानवरों के अलग-अलग माइक्रोस्ट्रक्चर
प्राकृतिक रहस्योद्घाटन: सुपरहाइड्रोफोबिक सतहों के निर्माण के लिए स्व-सफाई सतहों के "लोटस इफेक्ट" से
मानव कानून, पृथ्वी कानून, स्वर्ग और कानून, ताओ कानून प्राकृतिक है। प्रकृति में सुपरहाइड्रोफोबैसिस के साथ पौधों की पत्तियों का अध्ययन करके, यह जाना जा सकता है कि सुपरहाइड्रोफोबिक सतहों की तैयारी के लिए दो स्थितियों की आवश्यकता होती है: एक यह है कि सामग्री की सतह में बहुत कम सतह ऊर्जा होती है; अन्य यह है कि ठोस पदार्थ की सतह में एक निश्चित खुरदरापन है और एक माइक्रोन है। और नैनो की दोहरी संरचना।
ठोस सतह के स्थिर संपर्क कोण से, ठोस सतह के लियोफोबैसिस का निर्धारण करने की कुंजी सामग्री की सतह की रासायनिक संरचना में निहित है, और सतह की खुरदरापन केवल इस प्रभाव को बढ़ाती है। इसलिए, जब एक सुपरहाइड्रोफोबिक ठोस सतह का निर्माण होता है, तो यह आम तौर पर एक कम सतह ऊर्जा सतह पर किसी न किसी सतह का निर्माण करने के लिए या किसी सतह पर कम सतह ऊर्जा पदार्थ को संशोधित करने के लिए होता है। सबसे पहले, लोगों ने कम सतह ऊर्जा सामग्री की तैयारी का अध्ययन करना शुरू किया, और पाया कि सबसे निचली सतह ऊर्जा वाले ठोस पदार्थ सिलोक्सेन और फ्लोरीन युक्त सामग्री हैं। उनमें से, फ्लोरीन युक्त पदार्थ सबसे उत्कृष्ट हैं, और उनकी सतह की ऊर्जा सिलोक्सन की तुलना में लगभग 10 mN / m कम है, और हाइड्रोजन के अलावा फ्लोरीन सभी तत्वों का सबसे छोटा परमाणु त्रिज्या है। इसमें मजबूत इलेक्ट्रोनगेटिविटी, उच्च फ्लोरोकार्बन बॉन्ड एनर्जी, कम कोसिव एनर्जी और उच्च तापीय स्थिरता और रासायनिक स्थिरता है। इसमें गर्मी प्रतिरोध, मौसम प्रतिरोध, रासायनिक प्रतिरोध और कम अपवर्तक सूचकांक की विशेषताएं हैं। जब सामग्री की सतह- CF3 समूहों को हेक्सागोन्स के एक कसकर भरे हुए क्रम में स्टैक किया जाता है, तो ठोस सतह में 6.7 एमजे / मी 2 का सबसे कम सतह तनाव होता है। इसलिए, वर्तमान में कम सतह ऊर्जा के साथ तैयार की जाने वाली अधिकांश सामग्रियां मुख्य रूप से फ्लोरीन युक्त सामग्री हैं। इसके अलावा, लोगों ने सतही संरचना को नियंत्रित करने के लिए सुपरहाइड्रोफोबिक कोटिंग्स तैयार करने के लिए विभिन्न तरीकों की कोशिश शुरू कर दी है। वर्तमान में, परत-दर-परत आत्म-विधानसभा विधियों, भौतिक या रासायनिक वाष्प जमाव विधियों, नक़्क़ाशी के तरीकों, टेम्पलेट विधियों, इलेक्ट्रोस्टैटिक छिड़काव विधियों और सोल-जेल विधियों का आमतौर पर उपयोग किया जाता है।
सुपर-हाइड्रोफोबिक सामग्रियों के लिए अवसर और चुनौतियां: स्थायित्व और पारदर्शिता
यद्यपि सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्रियों की वास्तविक जीवन में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं, फिर भी व्यवहार में सुपरहाइड्रोफोबैसिस के व्यापक अनुप्रयोग को साकार करने में अभी भी कई कठिनाइयां हैं, और सबसे बड़ी चुनौती स्थायित्व और पारदर्शिता है। हाइड्रोफोबिक कोटिंग सब्सट्रेट के लिए खराब आसंजन है, और किसी न किसी संरचना भी बहुत नाजुक है। जब सतह को यांत्रिक प्रभावों जैसे प्रभाव और घर्षण के अधीन किया जाता है, तो यह आसानी से क्षतिग्रस्त हो जाता है और सुपरहाइड्रोफोबिक गुणों को खो देता है। इसलिए, स्व-मरम्मत कार्य के साथ स्थिर विरोधी घर्षण या एक सुपर-हाइड्रोफोबिक सतह के साथ एक सुपर-हाइड्रोफोबिक कोटिंग का विकास सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्रियों के अनुसंधान क्षेत्र में एक तत्काल समस्या बन गया है। सामान्य तौर पर, सुपरहाइड्रोफोबिक प्राप्त करने के लिए, सतह में एक निश्चित खुरदरापन होगा, और अधिक से अधिक खुरदरापन, बड़ा अपवर्तक सूचकांक और पारदर्शिता कम होगी। यह ऑप्टिकल उपकरणों के लिए सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्री के आवेदन को बहुत सीमित करता है।

निष्कर्ष

प्रकृति से बायोनिक तक, सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्री कमल के पत्ते से शुरू हुई और आज तक विकसित की गई है। वैज्ञानिकों ने प्रकृति की खोज करना कभी बंद नहीं किया। मेरा मानना है कि जैसे-जैसे हम प्रकृति की खोज को गहरा करते हैं, प्रकृति के बारे में हमारी समझ गहरी होती जाती है, और सुपरहाइड्रोफोबिसिटी के क्षेत्र में निश्चित रूप से अधिक प्रगति होगी।

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