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।
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 “sludge and not dyeing”, 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.”
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.
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
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° – 5°, and in the vertical direction, the rolling angle is 9° – 15°. 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.
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.
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.
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
Natural Revelation: From the “Lotus Effect” of Self-cleaning Surfaces to the Construction of Superhydrophobic Surfaces
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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