{"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\/pl\/od-natury-do-bioniki-przeszlosc-i-terazniejszosc-materialow-superhydrofobowych\/","title":{"rendered":"Od natury do bioniki: przesz\u0142o\u015b\u0107 i tera\u017aniejszo\u015b\u0107 materia\u0142\u00f3w superhydrofobowych"},"content":{"rendered":"
\n
\n

Co to jest materia\u0142 superhydrofobowy?<\/h2>\n
Materia\u0142 superhydrofobowy jest materia\u0142em odpychaj\u0105cym wod\u0119, a kropelki wody nie rozsuwaj\u0105 si\u0119 \u015blizgowo na jego powierzchni, aby zachowa\u0107 kulisty kszta\u0142t, osi\u0105gaj\u0105c w ten spos\u00f3b efekt toczenia samoczyszczenia. Zwil\u017calno\u015b\u0107 jest jedn\u0105 z wa\u017cnych w\u0142a\u015bciwo\u015bci powierzchni materia\u0142\u00f3w sta\u0142ych. Kluczowymi czynnikami determinuj\u0105cymi w\u0142a\u015bciwo\u015bci zwil\u017cania powierzchni materia\u0142u s\u0105 sk\u0142ad chemiczny powierzchni materia\u0142u i mikroskopijna geometria powierzchni. Dlatego naukowcy maj\u0105 powierzchni\u0119 o statycznym k\u0105cie kontaktu z wod\u0105 wi\u0119kszym ni\u017c 150 \u00b0 i k\u0105cie toczenia mniejszym ni\u017c 10 \u00b0, zwanym powierzchni\u0105 superhydrofobow\u0105. Materia\u0142y superhydrofobowe maj\u0105 na og\u00f3\u0142 struktur\u0119 mikro-nano-kompozytow\u0105 i chemikalia o niskiej energii powierzchniowej, co jest r\u00f3wnie\u017c warunkiem wst\u0119pnym stania si\u0119 materia\u0142em superhydrofobowym. Ze wzgl\u0119du na doskona\u0142e w\u0142a\u015bciwo\u015bci samooczyszczania, oddzielania oleju i wody, odporno\u015bci na korozj\u0119, zapobiegania oblodzeniu i zaparowaniu, w ostatnich latach faworyci wybrali super-hydrofobowe powierzchnie, przyci\u0105gaj\u0105c du\u017c\u0105 liczb\u0119 naukowc\u00f3w do inwestowania w badania materia\u0142\u00f3w superhydrofobowych.<\/div>\n
W rzeczywisto\u015bci ponad 2000 lat temu ludzie odkryli, \u017ce niekt\u00f3re ro\u015bliny rosn\u0105 w mule, ale jego li\u015bcie s\u0105 prawie zawsze czyste, typowym przyk\u0142adem jest li\u015b\u0107 lotosu. Kwiaty lotosu zwykle rosn\u0105 na bagnach i p\u0142ytkich wodach, ale maj\u0105 cechy \u201eszlamu i nie farbowania\u201d, co sprawia, \u017ce kwiat lotosu jest symbolem czysto\u015bci przez tysi\u0105ce lat. Kurz i brud na li\u015bciu lotosu mo\u017cna \u0142atwo usun\u0105\u0107 przez krople rosy i deszcz, utrzymuj\u0105c powierzchni\u0119 w czysto\u015bci. Naukowcy nazywaj\u0105 to zjawisko czyszczenia podrz\u0119dnego \u201eefektem lotosu\u201d.<\/div>\n
Jednak mechanizm li\u015bcia lotosu zawsze utrzymywanego w czysto\u015bci nie by\u0142 znany do czasu opracowania skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) w po\u0142owie lat 60. XX wieku, a ludzie stopniowo odkryli tajemnic\u0119 li\u015bcia lotosu. W 1977 r. Barthlott i Neinhuis z Uniwersytetu Berne\u0144skiego w Niemczech badali struktur\u0119 powierzchni li\u015bcia lotosu za pomoc\u0105 skaningowej mikroskopii elektronowej (jak pokazano na rycinie 1). Ujawniono, \u017ce mikoidowa struktura wyrostka sutkowatego na powierzchni li\u015bcia lotosu i substancja woskowa s\u0105 kluczem do jego funkcji samoczyszczenia. Uwa\u017caj\u0105, \u017ce powsta\u0142y \u201eefekt li\u015bcia\u201d jest spowodowany po\u0142\u0105czeniem materia\u0142u o niskiej energii powierzchniowej, takiego jak woskowa substancja i mikronowa szorstka struktura procesu mlecznego.<\/div>\n
Badania wykaza\u0142y, \u017ce du\u017ca liczba woskowych struktur mikroemulsyjnych wielko\u015bci mikrona rozmieszczonych jest na powierzchni li\u015bcia lotosu (ryc. 1 (a)); du\u017ca liczba drobno rozga\u0142\u0119zionych struktur w nanoskali jest rozmieszczona na ka\u017cdym sutku (ryc. 1 (b)); Ponadto na nask\u00f3rku li\u015bcia lotosu znajduje si\u0119 wiele woskowych, tr\u00f3jwymiarowych cienkich rurek (ryc. 1 (c)). Taka struktura mikro-nano-kompozytowa powoduje niski obszar kontaktu mi\u0119dzy kropelkami wody a powierzchni\u0105 li\u015bcia lotosu. Dlatego sk\u0142adnik wosku powierzchniowego li\u015bcia lotosu i struktura kompozytu mikro \/ nano wsp\u00f3\u0142pracuj\u0105 ze sob\u0105, aby nada\u0107 li\u015bciowi lotosu wyj\u0105tkow\u0105 superhydrofobowo\u015b\u0107 i nisk\u0105 przyczepno\u015b\u0107. K\u0105t zwil\u017cania i k\u0105t toczenia wody na li\u015bciu lotosu wynosz\u0105 odpowiednio oko\u0142o 160 \u00b0 i 2 \u00b0. Kropelki wody s\u0105 prawie kuliste na powierzchni li\u015bcia lotosu i mog\u0105 swobodnie toczy\u0107 si\u0119 we wszystkich kierunkach, jednocze\u015bnie usuwaj\u0105c kurz z powierzchni li\u015bcia lotosu, wykazuj\u0105c dobry efekt samooczyszczania (ryc. 1 (d)). Efekt lotosu, to znaczy samoczyszcz\u0105ca powierzchnia, wykazuje siln\u0105 zdolno\u015b\u0107 przeciwdzia\u0142ania zanieczyszczeniom, gdy k\u0105t zwil\u017cania wod\u0105 jest wi\u0119kszy ni\u017c 150 \u00b0, to znaczy zanieczyszczenia powierzchni, takie jak py\u0142, mog\u0105 by\u0107 odprowadzane przez spadaj\u0105ce krople wody bez pozostawiaj\u0105c \u015blady.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Ryc. 1 Obraz SEM powierzchni li\u015bcia lotosu<\/div>\n
Opr\u00f3cz li\u015bci lotosu na \u015bwiecie jest wiele ro\u015blin i zwierz\u0105t, kt\u00f3re s\u0105 superhydrofobowe. Kropelki wody na li\u015bciach ry\u017cu s\u0105 bardziej indywidualne ni\u017c krople wody na powierzchni li\u015bcia lotosu. W przeciwie\u0144stwie do kropelek wody na powierzchni li\u015bcia lotosu, kt\u00f3re mog\u0105 si\u0119 toczy\u0107 w dowolnym kierunku, kropelki wody na li\u015bciach ry\u017cu mog\u0105 \u0142atwo toczy\u0107 si\u0119 w kierunku wzrostu ostrza, a trudniej jest toczy\u0107 si\u0119 w kierunku pionowym . Wynika to z faktu, \u017ce li\u015bcie ry\u017cu maj\u0105 zorientowany liniowo uk\u0142ad wyst\u0119p\u00f3w i jednowymiarow\u0105 struktur\u0119 rowka (ryc. 2 (a)). W kierunku poziomym do wzrostu ostrza k\u0105t toczenia kropli wynosi 3 \u00b0 - 5 \u00b0, za\u015b w kierunku pionowym k\u0105t toczenia wynosi 9 \u00b0 - 15 \u00b0. Liniowe ustawienie struktury sutkowatej na powierzchni li\u015bcia ry\u017cu zapewnia kroplom r\u00f3\u017cne bariery energetyczne, kt\u00f3re infiltruj\u0105 w obu kierunkach. Podobnie jak skrzyd\u0142a motyla, kiedy skrzyd\u0142a motyla s\u0105 wachlowane, kropelki wody b\u0119d\u0105 si\u0119 toczy\u0107 wzd\u0142u\u017c osi osi, tak aby krople nie zwil\u017ca\u0142y cia\u0142a motyla. Okazuje si\u0119, \u017ce skrzyd\u0142a motyla s\u0105 przykryte du\u017c\u0105 liczb\u0105 mikro-nano skal zorientowanych wzd\u0142u\u017c osi osi (ryc. 2 (b)). Ta wysoce kierunkowa struktura mikro-nano skutecznie wp\u0142ywa na zachowanie zwil\u017cania kropelek wody, dzi\u0119ki czemu kropelki wody mog\u0105 \u0142atwo stacza\u0107 si\u0119 w kierunku promieniowym, jednocze\u015bnie osadzaj\u0105c si\u0119 w przeciwnym kierunku. Dwa r\u00f3\u017cne stany mog\u0105 by\u0107 regulowane przez kontrolowanie postawy trzepotania skrzyde\u0142 lub kierunku powietrza przechodz\u0105cego przez powierzchni\u0119 skrzyde\u0142. Ta anizotropowa przyczepno\u015b\u0107 umo\u017cliwia ukierunkowane czyszczenie skrzyde\u0142 motyla w wilgotnym \u015brodowisku, zapewniaj\u0105c stabilno\u015b\u0107 podczas lotu i unikaj\u0105c gromadzenia si\u0119 py\u0142u.<\/div>\n
W przeciwie\u0144stwie do ma\u0142ych kropelek wody na powierzchni li\u015bcia lotosu, kt\u00f3re mo\u017cna \u0142atwo zwin\u0105\u0107, ma\u0142e krople wody na p\u0142atkach r\u00f3\u017cy maj\u0105 tendencj\u0119 do przylegania do powierzchni. Dzi\u0119ki mikroskopijnej eksploracji p\u0142atk\u00f3w r\u00f3\u017cy naukowcy odkryli, \u017ce powierzchnia p\u0142atk\u00f3w r\u00f3\u017cy sk\u0142ada si\u0119 z mastoid\u00f3w wielko\u015bci mikrona, podczas gdy na wierzcho\u0142ku mastoid\u00f3w znajduje si\u0119 wiele z\u0142o\u017conych w nanoskali struktur, a ta nanokomponentowa struktura jest wynikiem o wysokiej przyczepno\u015bci p\u0142atk\u00f3w r\u00f3\u017cy. Kluczowy czynnik (ryc. 2 (c)). Gaz mo\u017ce by\u0107 obecny w strukturze nano z\u0142o\u017conej, podczas gdy woda mo\u017ce \u0142atwo przenika\u0107 mi\u0119dzy mikro-sutkiem. To samo, co p\u0142atki r\u00f3\u017c, to podeszwa gekona. Podeszwa gekona jest super-hydrofobowa i samoczyszcz\u0105ca, ale naukowcy ekscytuj\u0105 si\u0119 tym, \u017ce podeszwa gekona ma ultra-przyczepn\u0105 zdolno\u015b\u0107 do swobodnego poruszania si\u0119 na g\u0142adkiej powierzchni. Wynika to z dobrze wyr\u00f3wnanego mikronizowanego w\u0142osia na powierzchni podeszwy gekona, kt\u00f3re sk\u0142ada si\u0119 z setek mniejszych ko\u0144c\u00f3w w skali nano (ryc. 2 (d)). Si\u0142a Van der Waalsa generowana przez kontakt mi\u0119dzy nanocz\u0105stkami szczeciny gekona a tward\u0105 powierzchni\u0105 jest wsparciem gekona do pe\u0142zania pod r\u00f3\u017cnymi k\u0105tami.<\/div>\n
Oczy zwi\u0105zku komara s\u0105 u\u0142o\u017cone z ciasnymi sze\u015bciok\u0105tnymi ma\u0142ymi oczkami, a ciasny sze\u015bciok\u0105tny wyst\u0119p jest u\u0142o\u017cony na ka\u017cdym ma\u0142ym oku (ryc. 2 (e)). Ta unikalna kompozytowa struktura sprawia, \u017ce z\u0142o\u017cone oczy komar\u00f3w s\u0105 wyj\u0105tkowo hydrofobowe. Kiedy komara wystawia si\u0119 na mgliste \u015brodowisko, mo\u017cna stwierdzi\u0107, \u017ce na powierzchni oka komara nie powstaj\u0105 bardzo ma\u0142e kropelki, a du\u017ca ilo\u015b\u0107 kropelek skrapla si\u0119 na puchu wok\u00f3\u0142 oka komara. Ta wyj\u0105tkowo hydrofobowa natura zapobiega przywieraniu kropelek do aglomeracji na powierzchni oczu komara, zapewniaj\u0105c komarowi wyra\u017any widok. Odkrycie to stanowi inspiruj\u0105cy pomys\u0142 badawczy na opracowanie suchych materia\u0142\u00f3w przeciwmgielnych.<\/div>\n
Wydra mo\u017ce \u0142atwo chodzi\u0107, a nawet skaka\u0107 po wodzie. Sekret tkwi w pot\u0119\u017cnej superhydrofobowo\u015bci ow\u0142osionych n\u00f3g. Gdy wydra stoi na powierzchni wody, jej nogi tworz\u0105 wir o g\u0142\u0119boko\u015bci oko\u0142o 4 mm zamiast przek\u0142uwa\u0107 powierzchni\u0119 wody. Ka\u017cda noga ma siln\u0105 i trwa\u0142\u0105 si\u0142\u0119 superhydrofobow\u0105, kt\u00f3ra mo\u017ce wytrzyma\u0107 oko\u0142o 15 razy wi\u0119cej ni\u017c jej waga. W tym samym czasie znaleziono tak\u017ce specjaln\u0105 mikrostruktur\u0119 nogi pijawki i du\u017c\u0105 liczb\u0119 zam\u00f3wionych mikrostruktur podobnych do paska pokrywa\u0142y nogi pijawki, te mikrostruktury by\u0142y zorientowane pod k\u0105tem oko\u0142o 20 \u00b0, a ka\u017cda struktura mikropask\u00f3w Sk\u0142ada si\u0119 ze spiralnego nano-rowka (ryc. 2 (f)). Ta unikalna wielowarstwowa wielowarstwowa struktura mikro-nano skutecznie wychwytuje gaz mi\u0119dzy nog\u0105 pijawki a powierzchni\u0105 wody, tworz\u0105c pot\u0119\u017cny film gazowy. Solidna, super hydrofobowa zdolno\u015b\u0107 n\u00f3g wydry inspiruje do projektowania nowego sprz\u0119tu wodnego.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Ryc. 2 R\u00f3\u017cna mikrostruktura r\u00f3\u017cnych zwierz\u0105t<\/div>\n
Naturalne objawienie: od \u201eefektu lotosu\u201d powierzchni samoczyszcz\u0105cych po budow\u0119 powierzchni superhydrofobowych<\/div>\n
Prawo ludzkie, prawo ziemi, niebo i prawo, prawo Tao jest naturalne. Badaj\u0105c li\u015bcie ro\u015blin o charakterze superhydrofobowym, mo\u017cna wiedzie\u0107, \u017ce przygotowanie powierzchni superhydrofobowych wymaga dw\u00f3ch warunk\u00f3w: jednym z nich jest to, \u017ce powierzchnia materia\u0142u ma bardzo nisk\u0105 energi\u0119 powierzchniow\u0105; po drugie, powierzchnia sta\u0142ego materia\u0142u ma pewn\u0105 szorstko\u015b\u0107 i ma mikron. I podw\u00f3jna struktura nano.<\/div>\n
Ze statycznego k\u0105ta zwil\u017cania powierzchni sta\u0142ej kluczem do ustalenia liofobowo\u015bci powierzchni sta\u0142ej jest sk\u0142ad chemiczny powierzchni materia\u0142u, a chropowato\u015b\u0107 powierzchni tylko wzmacnia ten efekt. Dlatego przy konstruowaniu superhydrofobowej sta\u0142ej 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 zacz\u0119li bada\u0107 przygotowanie materia\u0142\u00f3w o niskiej energii powierzchniowej i odkryli, \u017ce materia\u0142ami sta\u0142ymi o najni\u017cszej energii powierzchniowej s\u0105 siloksan i materia\u0142y zawieraj\u0105ce fluor. W\u015br\u00f3d nich materia\u0142y zawieraj\u0105ce fluor s\u0105 najbardziej doskona\u0142e, a ich energia powierzchniowa jest o oko\u0142o 10 mN \/ m ni\u017csza ni\u017c w przypadku siloksanu, a fluor jest najmniejszym promieniem atomowym wszystkich pierwiastk\u00f3w z wyj\u0105tkiem wodoru. Ma siln\u0105 elektroujemno\u015b\u0107, wysok\u0105 energi\u0119 wi\u0105zania fluorow\u0119glowego, nisk\u0105 energi\u0119 kohezji oraz wysok\u0105 stabilno\u015b\u0107 termiczn\u0105 i stabilno\u015b\u0107 chemiczn\u0105. Ma cechy odporno\u015bci na ciep\u0142o, odporno\u015b\u0107 na warunki atmosferyczne, odporno\u015b\u0107 chemiczn\u0105 i niski wsp\u00f3\u0142czynnik za\u0142amania \u015bwiat\u0142a. Gdy powierzchnia materia\u0142u - grupy CF3 s\u0105 u\u0142o\u017cone w stos w ciasno upakowanych rz\u0119dach sze\u015bciok\u0105t\u00f3w, powierzchnia sta\u0142a ma najni\u017csze napi\u0119cie powierzchniowe wynosz\u0105ce 6,7 mJ \/ m2. Dlatego wi\u0119kszo\u015b\u0107 obecnie przygotowywanych materia\u0142\u00f3w o niskiej energii powierzchniowej to g\u0142\u00f3wnie materia\u0142y zawieraj\u0105ce fluor. Ponadto ludzie zacz\u0119li wypr\u00f3bowywa\u0107 r\u00f3\u017cne metody kontrolowania struktury powierzchni w celu przygotowania pow\u0142ok superhydrofobowych. Obecnie powszechnie stosuje si\u0119 metody samoorganizacji warstwa po warstwie, fizyczne lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej, metody trawienia, metody matrycowe, metody natryskiwania elektrostatycznego oraz metody zol-\u017cel.<\/div>\n
Mo\u017cliwo\u015bci i wyzwania dla materia\u0142\u00f3w superhydrofobowych: trwa\u0142o\u015b\u0107 i przezroczysto\u015b\u0107<\/div>\n
Chocia\u017c materia\u0142y superhydrofobowe maj\u0105 szerokie perspektywy zastosowania w prawdziwym \u017cyciu, nadal istnieje wiele trudno\u015bci w realizacji powszechnego zastosowania superhydrofobowo\u015bci w praktyce, a najwi\u0119kszym wyzwaniem jest trwa\u0142o\u015b\u0107 i przejrzysto\u015b\u0107. Hydrofobowa pow\u0142oka ma s\u0142ab\u0105 przyczepno\u015b\u0107 do pod\u0142o\u017ca, a szorstka struktura jest r\u00f3wnie\u017c bardzo delikatna. Gdy powierzchnia jest poddawana dzia\u0142aniu mechanicznym, takim jak uderzenie i tarcie, \u0142atwo ulega uszkodzeniu i traci w\u0142a\u015bciwo\u015bci superhydrofobowe. Dlatego opracowanie superhydrofobowej pow\u0142oki o stabilnej powierzchni przeciwciernej lub superhydrofobowej z funkcj\u0105 samonaprawy sta\u0142o si\u0119 pilnym problemem w dziedzinie bada\u0144 materia\u0142\u00f3w superhydrofobowych. Og\u00f3lnie, aby uzyska\u0107 superhydrofobowo\u015b\u0107, powierzchnia b\u0119dzie mia\u0142a pewn\u0105 szorstko\u015b\u0107, a im wi\u0119ksza szorstko\u015b\u0107, tym wi\u0119kszy wsp\u00f3\u0142czynnik za\u0142amania \u015bwiat\u0142a i ni\u017csza przezroczysto\u015b\u0107. To znacznie ogranicza zastosowanie materia\u0142\u00f3w superhydrofobowych do urz\u0105dze\u0144 optycznych.<\/div>\n

Wniosek<\/h2>\n
Od natury do bioniki, materia\u0142y superhydrofobowe zacz\u0119\u0142y si\u0119 od li\u015bcia lotosu i zosta\u0142y opracowane do dzi\u015b. Naukowcy nigdy nie przestali bada\u0107 natury. Wierz\u0119, \u017ce w miar\u0119 pog\u0142\u0119biania naszej eksploracji przyrody, nasze rozumienie przyrody nadal si\u0119 pog\u0142\u0119bia, a pole superhydrofobowo\u015bci z pewno\u015bci\u0105 zrobi wi\u0119kszy post\u0119p.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1825"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1825"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1825\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1825"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1825"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1825"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}