Co to jest materiał superhydrofobowy?

Materiał superhydrofobowy jest materiałem odpychającym wodę, a kropelki wody nie rozsuwają się ślizgowo na jego powierzchni, aby zachować kulisty kształt, osiągając w ten sposób efekt toczenia samoczyszczenia. Zwilżalność jest jedną z ważnych właściwości powierzchni materiałów stałych. Kluczowymi czynnikami determinującymi właściwości zwilżania powierzchni materiału są skład chemiczny powierzchni materiału i mikroskopijna geometria powierzchni. Dlatego naukowcy mają powierzchnię o statycznym kącie kontaktu z wodą większym niż 150 ° i kącie toczenia mniejszym niż 10 °, zwanym powierzchnią superhydrofobową. Materiały superhydrofobowe mają na ogół strukturę mikro-nano-kompozytową i chemikalia o niskiej energii powierzchniowej, co jest również warunkiem wstępnym stania się materiałem superhydrofobowym. Ze względu na doskonałe właściwości samooczyszczania, oddzielania oleju i wody, odporności na korozję, zapobiegania oblodzeniu i zaparowaniu, w ostatnich latach faworyci wybrali super-hydrofobowe powierzchnie, przyciągając dużą liczbę naukowców do inwestowania w badania materiałów superhydrofobowych.
W rzeczywistości ponad 2000 lat temu ludzie odkryli, że niektóre rośliny rosną w mule, ale jego liście są prawie zawsze czyste, typowym przykładem jest liść lotosu. Kwiaty lotosu zwykle rosną na bagnach i płytkich wodach, ale mają cechy „szlamu i nie farbowania”, co sprawia, że kwiat lotosu jest symbolem czystości przez tysiące lat. Kurz i brud na liściu lotosu można łatwo usunąć przez krople rosy i deszcz, utrzymując powierzchnię w czystości. Naukowcy nazywają to zjawisko czyszczenia podrzędnego „efektem lotosu”.
Jednak mechanizm liścia lotosu zawsze utrzymywanego w czystości nie był znany do czasu opracowania skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) w połowie lat 60. XX wieku, a ludzie stopniowo odkryli tajemnicę liścia lotosu. W 1977 r. Barthlott i Neinhuis z Uniwersytetu Berneńskiego w Niemczech badali strukturę powierzchni liścia lotosu za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (jak pokazano na rycinie 1). Ujawniono, że mikoidowa struktura wyrostka sutkowatego na powierzchni liścia lotosu i substancja woskowa są kluczem do jego funkcji samoczyszczenia. Uważają, że powstały „efekt liścia” jest spowodowany połączeniem materiału o niskiej energii powierzchniowej, takiego jak woskowa substancja i mikronowa szorstka struktura procesu mlecznego.
Badania wykazały, że duża liczba woskowych struktur mikroemulsyjnych wielkości mikrona rozmieszczonych jest na powierzchni liścia lotosu (ryc. 1 (a)); duża liczba drobno rozgałęzionych struktur w nanoskali jest rozmieszczona na każdym sutku (ryc. 1 (b)); Ponadto na naskórku liścia lotosu znajduje się wiele woskowych, trójwymiarowych cienkich rurek (ryc. 1 (c)). Taka struktura mikro-nano-kompozytowa powoduje niski obszar kontaktu między kropelkami wody a powierzchnią liścia lotosu. Dlatego składnik wosku powierzchniowego liścia lotosu i struktura kompozytu mikro / nano współpracują ze sobą, aby nadać liściowi lotosu wyjątkową superhydrofobowość i niską przyczepność. Kąt zwilżania i kąt toczenia wody na liściu lotosu wynoszą odpowiednio około 160 ° i 2 °. Kropelki wody są prawie kuliste na powierzchni liścia lotosu i mogą swobodnie toczyć się we wszystkich kierunkach, jednocześnie usuwając kurz z powierzchni liścia lotosu, wykazując dobry efekt samooczyszczania (ryc. 1 (d)). Efekt lotosu, to znaczy samoczyszcząca powierzchnia, wykazuje silną zdolność przeciwdziałania zanieczyszczeniom, gdy kąt zwilżania wodą jest większy niż 150 °, to znaczy zanieczyszczenia powierzchni, takie jak pył, mogą być odprowadzane przez spadające krople wody bez pozostawiając ślady.

Od natury do bioniki: przeszłość i teraźniejszość materiałów superhydrofobowych 1

Ryc. 1 Obraz SEM powierzchni liścia lotosu
Oprócz liści lotosu na świecie jest wiele roślin i zwierząt, które są superhydrofobowe. Kropelki wody na liściach ryżu są bardziej indywidualne niż krople wody na powierzchni liścia lotosu. W przeciwieństwie do kropelek wody na powierzchni liścia lotosu, które mogą się toczyć w dowolnym kierunku, kropelki wody na liściach ryżu mogą łatwo toczyć się w kierunku wzrostu ostrza, a trudniej jest toczyć się w kierunku pionowym . Wynika to z faktu, że liście ryżu mają zorientowany liniowo układ występów i jednowymiarową strukturę rowka (ryc. 2 (a)). W kierunku poziomym do wzrostu ostrza kąt toczenia kropli wynosi 3 ° - 5 °, zaś w kierunku pionowym kąt toczenia wynosi 9 ° - 15 °. Liniowe ustawienie struktury sutkowatej na powierzchni liścia ryżu zapewnia kroplom różne bariery energetyczne, które infiltrują w obu kierunkach. Podobnie jak skrzydła motyla, kiedy skrzydła motyla są wachlowane, kropelki wody będą się toczyć wzdłuż osi osi, tak aby krople nie zwilżały ciała motyla. Okazuje się, że skrzydła motyla są przykryte dużą liczbą mikro-nano skal zorientowanych wzdłuż osi osi (ryc. 2 (b)). Ta wysoce kierunkowa struktura mikro-nano skutecznie wpływa na zachowanie zwilżania kropelek wody, dzięki czemu kropelki wody mogą łatwo staczać się w kierunku promieniowym, jednocześnie osadzając się w przeciwnym kierunku. Dwa różne stany mogą być regulowane przez kontrolowanie postawy trzepotania skrzydeł lub kierunku powietrza przechodzącego przez powierzchnię skrzydeł. Ta anizotropowa przyczepność umożliwia ukierunkowane czyszczenie skrzydeł motyla w wilgotnym środowisku, zapewniając stabilność podczas lotu i unikając gromadzenia się pyłu.
W przeciwieństwie do małych kropelek wody na powierzchni liścia lotosu, które można łatwo zwinąć, małe krople wody na płatkach róży mają tendencję do przylegania do powierzchni. Dzięki mikroskopijnej eksploracji płatków róży naukowcy odkryli, że powierzchnia płatków róży składa się z mastoidów wielkości mikrona, podczas gdy na wierzchołku mastoidów znajduje się wiele złożonych w nanoskali struktur, a ta nanokomponentowa struktura jest wynikiem o wysokiej przyczepności płatków róży. Kluczowy czynnik (ryc. 2 (c)). Gaz może być obecny w strukturze nano złożonej, podczas gdy woda może łatwo przenikać między mikro-sutkiem. To samo, co płatki róż, to podeszwa gekona. Podeszwa gekona jest super-hydrofobowa i samoczyszcząca, ale naukowcy ekscytują się tym, że podeszwa gekona ma ultra-przyczepną zdolność do swobodnego poruszania się na gładkiej powierzchni. Wynika to z dobrze wyrównanego mikronizowanego włosia na powierzchni podeszwy gekona, które składa się z setek mniejszych końców w skali nano (ryc. 2 (d)). Siła Van der Waalsa generowana przez kontakt między nanocząstkami szczeciny gekona a twardą powierzchnią jest wsparciem gekona do pełzania pod różnymi kątami.
Oczy związku komara są ułożone z ciasnymi sześciokątnymi małymi oczkami, a ciasny sześciokątny występ jest ułożony na każdym małym oku (ryc. 2 (e)). Ta unikalna kompozytowa struktura sprawia, że złożone oczy komarów są wyjątkowo hydrofobowe. Kiedy komara wystawia się na mgliste środowisko, można stwierdzić, że na powierzchni oka komara nie powstają bardzo małe kropelki, a duża ilość kropelek skrapla się na puchu wokół oka komara. Ta wyjątkowo hydrofobowa natura zapobiega przywieraniu kropelek do aglomeracji na powierzchni oczu komara, zapewniając komarowi wyraźny widok. Odkrycie to stanowi inspirujący pomysł badawczy na opracowanie suchych materiałów przeciwmgielnych.
Wydra może łatwo chodzić, a nawet skakać po wodzie. Sekret tkwi w potężnej superhydrofobowości owłosionych nóg. Gdy wydra stoi na powierzchni wody, jej nogi tworzą wir o głębokości około 4 mm zamiast przekłuwać powierzchnię wody. Każda noga ma silną i trwałą siłę superhydrofobową, która może wytrzymać około 15 razy więcej niż jej waga. W tym samym czasie znaleziono także specjalną mikrostrukturę nogi pijawki i dużą liczbę zamówionych mikrostruktur podobnych do paska pokrywały nogi pijawki, te mikrostruktury były zorientowane pod kątem około 20 °, a każda struktura mikropasków Składa się ze spiralnego nano-rowka (ryc. 2 (f)). Ta unikalna wielowarstwowa wielowarstwowa struktura mikro-nano skutecznie wychwytuje gaz między nogą pijawki a powierzchnią wody, tworząc potężny film gazowy. Solidna, super hydrofobowa zdolność nóg wydry inspiruje do projektowania nowego sprzętu wodnego.

Od natury do bioniki: przeszłość i teraźniejszość materiałów superhydrofobowych 2

Ryc. 2 Różna mikrostruktura różnych zwierząt
Naturalne objawienie: od „efektu lotosu” powierzchni samoczyszczących po budowę powierzchni superhydrofobowych
Prawo ludzkie, prawo ziemi, niebo i prawo, prawo Tao jest naturalne. Badając liście roślin o charakterze superhydrofobowym, można wiedzieć, że przygotowanie powierzchni superhydrofobowych wymaga dwóch warunków: jednym z nich jest to, że powierzchnia materiału ma bardzo niską energię powierzchniową; po drugie, powierzchnia stałego materiału ma pewną szorstkość i ma mikron. I podwójna struktura nano.
Ze statycznego kąta zwilżania powierzchni stałej kluczem do ustalenia liofobowości powierzchni stałej jest skład chemiczny powierzchni materiału, a chropowatość powierzchni tylko wzmacnia ten efekt. Dlatego przy konstruowaniu superhydrofobowej stałej powierzchni zasadniczo chodzi o zbudowanie szorstkiej powierzchni na powierzchni o niskiej energii powierzchniowej lub zmodyfikowanie substancji o niskiej energii powierzchniowej na szorstkiej powierzchni. Najpierw ludzie zaczęli badać przygotowanie materiałów o niskiej energii powierzchniowej i odkryli, że materiałami stałymi o najniższej energii powierzchniowej są siloksan i materiały zawierające fluor. Wśród nich materiały zawierające fluor są najbardziej doskonałe, a ich energia powierzchniowa jest o około 10 mN / m niższa niż w przypadku siloksanu, a fluor jest najmniejszym promieniem atomowym wszystkich pierwiastków z wyjątkiem wodoru. Ma silną elektroujemność, wysoką energię wiązania fluorowęglowego, niską energię kohezji oraz wysoką stabilność termiczną i stabilność chemiczną. Ma cechy odporności na ciepło, odporność na warunki atmosferyczne, odporność chemiczną i niski współczynnik załamania światła. Gdy powierzchnia materiału - grupy CF3 są ułożone w stos w ciasno upakowanych rzędach sześciokątów, powierzchnia stała ma najniższe napięcie powierzchniowe wynoszące 6,7 mJ / m2. Dlatego większość obecnie przygotowywanych materiałów o niskiej energii powierzchniowej to głównie materiały zawierające fluor. Ponadto ludzie zaczęli wypróbowywać różne metody kontrolowania struktury powierzchni w celu przygotowania powłok superhydrofobowych. Obecnie powszechnie stosuje się metody samoorganizacji warstwa po warstwie, fizyczne lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej, metody trawienia, metody matrycowe, metody natryskiwania elektrostatycznego oraz metody zol-żel.
Możliwości i wyzwania dla materiałów superhydrofobowych: trwałość i przezroczystość
Chociaż materiały superhydrofobowe mają szerokie perspektywy zastosowania w prawdziwym życiu, nadal istnieje wiele trudności w realizacji powszechnego zastosowania superhydrofobowości w praktyce, a największym wyzwaniem jest trwałość i przejrzystość. Hydrofobowa powłoka ma słabą przyczepność do podłoża, a szorstka struktura jest również bardzo delikatna. Gdy powierzchnia jest poddawana działaniu mechanicznym, takim jak uderzenie i tarcie, łatwo ulega uszkodzeniu i traci właściwości superhydrofobowe. Dlatego opracowanie superhydrofobowej powłoki o stabilnej powierzchni przeciwciernej lub superhydrofobowej z funkcją samonaprawy stało się pilnym problemem w dziedzinie badań materiałów superhydrofobowych. Ogólnie, aby uzyskać superhydrofobowość, powierzchnia będzie miała pewną szorstkość, a im większa szorstkość, tym większy współczynnik załamania światła i niższa przezroczystość. To znacznie ogranicza zastosowanie materiałów superhydrofobowych do urządzeń optycznych.

Wniosek

Od natury do bioniki, materiały superhydrofobowe zaczęły się od liścia lotosu i zostały opracowane do dziś. Naukowcy nigdy nie przestali badać natury. Wierzę, że w miarę pogłębiania naszej eksploracji przyrody, nasze rozumienie przyrody nadal się pogłębia, a pole superhydrofobowości z pewnością zrobi większy postęp.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

pl_PLPolski
en_USEnglish zh_CN简体中文 es_ESEspañol hi_INहिन्दी arالعربية pt_BRPortuguês do Brasil ru_RUРусский ja日本語 jv_IDBasa Jawa de_DEDeutsch ko_KR한국어 fr_FRFrançais tr_TRTürkçe viTiếng Việt pl_PLPolski