초 소수성 물질이란 무엇입니까?

초 소수성 재료는 물에 반발하는 재료이고, 물방울이 표면에 활주 가능하게 퍼져 구형을 유지하지 않아서, 롤링자가 세정의 효과를 달성한다. 습윤성은 고체 물질 표면의 중요한 특성 중 하나입니다. 재료의 표면 습윤 특성을 결정하는 주요 요인은 재료의 표면의 화학적 조성 및 표면의 미세한 기하학적 구조를 포함합니다. 따라서 과학자들은 150 °보다 큰 정적 물 접촉각과 10 °보다 작은 롤링 각도를 갖는 표면을 초 소수성 표면이라고합니다. 초 소수성 재료는 일반적으로 마이크로-나노 복합 구조 및 낮은 표면 에너지 화학 물질을 가지며, 이는 또한 초 소수성 재료가되기위한 전제 조건이다. 자체 세정, 유수 분리, 내식성, 결빙 방지 및 김서림 방지의 탁월한 특성으로 인해 초 소수성 표면이 최근 몇 년 동안 재료 과학자들에 의해 선호되어 많은 과학자들이 초 소수성 재료 연구.
실제로 2,000 년 전에 사람들은 일부 식물이 슬러지에서 자라는 것을 발견했지만 잎은 거의 항상 깨끗합니다. 전형적인 예는 연잎입니다. 연꽃은 일반적으로 늪과 얕은 물에서 자라지 만“염색이 아닌 슬러지”의 특성을 가지고있어 연꽃이 수천 년 동안 순결의 상징이됩니다. 연잎의 먼지와 이물질은 이슬 방울과 비로 쉽게 제거되어 표면을 깨끗하게 유지할 수 있습니다. 과학자들은이 하위 세정 현상을 "연꽃 효과"라고 부릅니다.
그러나, 연잎의 메커니즘은 항상 깨끗하게 유지되었다. 1960 년대 중반에 주사 전자 현미경 (SEM)이 개발 될 때까지 사람들은 연잎의 비밀을 점차 공개했다. 1977 년 독일 베른 대학의 Barthlott와 Neinhuis는 전자 현미경을 스캔하여 연잎의 표면 구조를 연구했습니다 (그림 1 참조). 연잎 표면의 미크론 마스트 로이드 구조와 왁스 물질이 자체 세척 기능의 핵심이라는 것이 밝혀졌습니다. 그들은 결과적인“잎 효과”는 밀키 물질과 같은 낮은 표면 에너지 물질과 유백색의 미크론 거친 구조의 조합에 의해 발생한다고 믿는다.
연구에 따르면 많은 수의 미크론 크기의 왁스 질 마이크로 에멀젼 구조가 연잎 표면에 분포되어 있습니다 (그림 1 (a)). 다수의 나노-규모 미세-분지 구조가 각각의 유양상에 분포되어있다 (도 1 (b)); 또한, 연잎의 표피에는 왁스가 많은 3 차원 얇은 튜브가 많이 있습니다 (그림 1 (c)). 이러한 마이크로-나노 복합 구조는 물방울과 연잎 표면 사이의 접촉 면적이 낮다. 따라서, 연잎의 표면 왁스 성분과 마이크로 / 나노 복합 구조는 고유 한 초 소수성을 부여하고 연잎에 낮은 접착 성을 부여하기 위해 함께 작용한다. 연잎에서 물의 접촉각과 구름 각은 각각 약 160 °와 2 °입니다. 물방울은 연잎 표면에서 거의 구형이며 연잎 표면의 먼지를 제거하면서 모든 방향으로 자유롭게 굴릴 수 있으며, 자체 세척 효과가 우수합니다 (그림 1 (d)). 연꽃 효과, 즉 자체 청소 표면은 물과의 접촉각이 150 °보다 클 때 강한 오염 방지 능력을 나타냅니다. 즉 먼지와 같은 표면 오염 물질이 물방울없이 떨어지는 물방울에 의해 제거 될 수 있습니다. 흔적을 남기지 않습니다.

자연에서 생체 공학까지 : 초 소수성 물질의 과거와 현재 1

그림 1 연잎 표면의 SEM 이미지
연잎 외에도 세계에는 초 소수성 식물과 동물이 많이 있습니다. 쌀 잎의 물방울은 연잎 표면의 물방울보다 개별적입니다. 연잎 표면의 물방울은 어떤 방향 으로든 굴릴 수 있지만 쌀 잎의 물방울은 잎이 자라는 방향으로 쉽게 굴릴 수 있지만 세로 방향으로 굴리는 것은 더 어렵습니다 . 이는 벼잎이 일직선 방향의 돌출부와 1 차원 그루브 구조를 갖기 때문이다 (그림 2 (a)). 블레이드의 성장에 수평 인 방향에서 액 적의 회전 각도는 3 ° – 5 °이며 수직 방향에서는 회전 각도가 9 ° – 15 °입니다. 벼 잎의 표면에서 유양 구조물의 선형 정렬은 액 적에 양방향으로 침투하는 다른 에너지 장벽을 제공합니다. 나비의 날개와 유사하게, 나비 날개가 부채질되면 물방울이 축의 축을 따라 구르 러 물방울이 나비의 몸을 적시 지 않습니다. 나비 날개는 축의 축을 따라 배향 된 많은 수의 마이크로 나노 스케일로 덮여 있음이 밝혀졌습니다 (그림 2 (b)). 이 고도 지향성 마이크로-나노 구조는 물방울의 습윤 거동에 효과적으로 영향을 미치므로 물방울이 반대 방향으로 묻히면 서 반경 방향으로 쉽게 구르는 것이 가능합니다. 날개의 플 래핑 자세 또는 날개의 표면을 통과하는 공기의 방향을 제어하여 두 가지 상태를 조정할 수 있습니다. 이 이방성 접착으로 나비 날개를 습한 환경에서 방향으로 청소할 수있어 비행 중 안정성을 보장하고 먼지가 쌓이지 않습니다.
쉽게 구를 수있는 연잎 표면의 작은 물방울과 달리 장미 꽃잎의 작은 물방울은 표면에 달라 붙는 경향이 있습니다. 과학자들은 장미 꽃잎의 미세한 탐사를 통해 장미 꽃잎의 표면이 미크론 크기의 마스트 로이드로 구성되어 있으며, 마스트 로이드의 끝 부분에는 많은 나노 스케일 접힌 구조가 있으며이 나노 폴딩 구조는 결과입니다 장미 꽃잎의 높은 접착력. 핵심 요소 (그림 2 (c)). 나노-폴딩 구조에 가스가 존재할 수있는 반면, 물은 미세 유방 사이에 쉽게 침투 할 수있다. 장미 꽃잎과 같은 것은 도마뱀의 발바닥입니다. 도마뱀 발바닥은 초 소수성 및자가 세정이지만 과학자들이 흥분하는 것은 도마뱀 발바닥이 매끄러운 표면에서 자유롭게 움직일 수있는 매우 접착력이 있다는 것입니다. 이것은 도마뱀 밑창 표면에 잘 정렬 된 미세화 된 강모에 기인 한 것으로, 수백 개의 더 작은 나노 스케일 말단으로 구성되어있다 (그림 2 (d)). 도마뱀 강모의 나노 팁과 고체 표면 사이의 접촉에 의해 생성 된 반 데르 발스 힘은 다양한 각도에서 기어 가도록 도마뱀의 지지대입니다.
모기 복합 눈은 단단한 육각형 작은 눈으로 배열되고, 작은 육각형 돌출부는 각각의 작은 눈에 배열된다 (도 2 (e)). 이 독특한 복합 구조는 모기의 눈을 극도로 소수성으로 만듭니다. 모기가 안개가 자욱한 환경에 노출되면 모기의 눈 표면에 매우 작은 물방울이 형성되지 않으며 모기의 눈 주위의 보풀에 많은 양의 물방울이 응축되어 있음을 알 수 있습니다. 이 극도로 소수성 인 특성으로 인해 물방울이 모기의 눈 표면에 달라 붙어 덩어리가 보이지 않게되어 모기를 선명하게 볼 수 있습니다. 이 발견은 건조한 김서림 방지 표면 재료의 개발에 대한 영감을주는 연구 아이디어를 제공합니다.
수달은 물 위를 쉽게 걷거나 뛸 수 있습니다. 비밀은 털이 많은 다리의 강력한 초 소수성입니다. 수달이 물 표면에 서있을 때, 다리는 물 표면을 뚫지 않고 깊이가 약 4 mm 인 와류를 형성합니다. 각 다리는 무게의 약 15 배를 지탱할 수있는 강력하고 내구성있는 초 소수성 힘을가집니다. 동시에, 거머리 다리의 특수 미세 구조가 발견되었으며, 거머리 다리를 덮는 많은 수의 정렬 된 스트립 모양의 미세 구조가 발견되었으며,이 미세 구조는 약 20 °의 각도로 배향되었습니다. 각 마이크로 스트립 구조 나선형 나노 그루브 (그림 2 (f))로 구성됩니다. 이 독특한 층상 마이크로 나노 멀티 스케일 구조는 거머리 다리와 수면 사이의 가스를 효과적으로 포획하여 강력한 가스 필름을 형성합니다. 수달 다리의 견고하고 초 소수성 능력은 새로운 수생 장비의 디자인에 영감을줍니다.

자연에서 생체 공학까지 : 초 소수성 물질의 과거와 현재 2

그림 2 다른 동물의 다른 미세 구조
자연 계시 : 자기 청소 표면의 "연꽃 효과"에서 초 소수성 표면의 구성까지
인간 법, 지구 법, 하늘과 법, 타오 법은 자연 스럽습니다 초 소수성을 갖는 식물의 잎을 연구함으로써, 초 소수성 표면의 제조에는 2 가지 조건이 필요하다는 것을 알 수있다 : 하나는 재료의 표면이 매우 낮은 표면 에너지를 가짐; 다른 하나는 고체 물질의 표면이 일정한 거칠기를 가지며 미크론을 갖는다는 것이다. 그리고 나노의 이중 구조.
고체 표면의 정적 접촉각으로부터, 고체 표면의 친 액성을 결정하는 열쇠는 재료 표면의 화학적 조성에 있으며 표면의 거칠기는이 효과를 향상시킨다. 따라서, 초 소수성 고체 표면을 구성 할 때, 일반적으로 낮은 표면 에너지 표면에 거친 표면을 구성하거나 거친 표면에 낮은 표면 에너지 물질을 개질하는 것이 일반적이다. 첫째, 사람들은 낮은 표면 에너지 재료의 제조를 연구하기 시작했으며, 표면 에너지가 가장 낮은 고체 재료는 실록산과 불소 함유 재료라는 것을 발견했습니다. 그 중에서도 불소 함유 재료가 가장 우수하고, 표면 에너지는 실록산보다 약 10mN / m 낮으며, 불소는 수소를 제외한 모든 원소 중에서 가장 작은 원자 반경이다. 강한 전기 음성도, 높은 플루오르 카본 결합 에너지, 낮은 응집 에너지 및 높은 열 안정성 및 화학적 안정성을 갖는다. 내열성, 내후성, 내 화학성 및 낮은 굴절률의 특성을 가지고 있습니다. 재료의 표면-CF3 그룹이 꽉 채워진 육각형 순서로 쌓이면 고체 표면의 표면 장력은 6.7 mJ / m 2입니다. 따라서, 현재 낮은 표면 에너지로 제조 된 대부분의 재료는 주로 불소 함유 재료이다. 또한, 사람들은 초 소수성 코팅을 준비하기 위해 표면 구조를 제어하는 다른 방법을 시도하기 시작했습니다. 현재, 층별 자기 조립 방법, 물리적 또는 화학적 증착 방법, 에칭 방법, 템플릿 방법, 정전 분무 방법 및 졸-겔 방법이 일반적으로 사용된다.
초 소수성 재료의 기회와 과제 : 내구성과 투명성
초 소수성 재료는 실생활에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있지만, 실제로 초 소수성의 광범위한 응용을 실현하는 데 여전히 많은 어려움이 있으며, 가장 큰 과제는 내구성과 투명성입니다. 소수성 코팅은 기판에 대한 접착력이 불량하고 거친 구조도 매우 약하다. 표면에 충격 및 마찰과 같은 기계적 효과가 가해지면 쉽게 손상되어 초 소수성 특성을 잃게됩니다. 따라서, 초 소수성 재료의 연구 분야에서 안정적인 마찰 방지 기능이있는 초 소수성 코팅 또는 자체 수리 기능이있는 초 소수성 표면의 개발이 시급한 문제가되었다. 일반적으로, 초 소수성을 얻기 위해, 표면은 일정한 거칠기를 가질 것이며, 거칠기가 클수록 굴절률이 커지고 투명도가 낮아진다. 이것은 초 소수성 재료의 광학 장치로의 적용을 크게 제한한다.

결론

자연에서 생체 공학에 이르기까지 초 소수성 물질은 연잎에서 시작하여 오늘날까지 개발되었습니다. 과학자들은 자연 탐험을 멈추지 않았습니다. 자연에 대한 탐구가 깊어짐에 따라 자연에 대한 이해가 계속 깊어지고 초 소수성 분야가 확실히 더 큰 발전을 이룰 것이라고 믿습니다.

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