O que é um material super-hidrofóbico?

O material superhidrofóbico é um material repulsivo à água e as gotículas de água não são espalhadas de maneira deslizante na superfície do mesmo para manter a forma esférica, conseguindo assim o efeito de rolar a autolimpante. A molhabilidade é uma das propriedades importantes da superfície de materiais sólidos. Os principais fatores que determinam as propriedades de umedecimento da superfície do material incluem a composição química da superfície do material e a geometria microscópica da superfície. Portanto, os cientistas têm uma superfície com um ângulo de contato estático na água maior que 150 ° e um ângulo de rolagem menor que 10 ° chamado superfície super-hidrofóbica. Os materiais superhidrofóbicos geralmente têm uma estrutura composta micro-nano e um produto químico de baixa energia superficial, que também é um pré-requisito para se tornar um material superhidrofóbico. Devido às suas excelentes características de autolimpante, separação óleo-água, resistência à corrosão, anti-gelo e anti-embaciamento, superfícies super-hidrofóbicas têm sido favorecidas por cientistas de materiais nos últimos anos, atraindo um grande número de cientistas para investir no pesquisa de materiais super-hidrofóbicos.
De fato, há mais de 2.000 anos, as pessoas descobriram que algumas plantas crescem no lodo, mas suas folhas estão quase sempre limpas, um exemplo típico é a folha de lótus. As flores de lótus geralmente crescem em pântanos e águas rasas, mas têm as características de "lodo e não tingimento", o que faz da flor de lótus um símbolo de pureza há milhares de anos. Poeira e sujeira na folha de lótus podem ser facilmente transportadas por gotas de orvalho e chuva, mantendo a superfície limpa. Os cientistas chamam esse fenômeno de sub-limpeza de "efeito lótus".
No entanto, o mecanismo da folha de lótus sempre mantido limpo não era conhecido até o desenvolvimento da microscopia eletrônica de varredura (MEV) em meados da década de 1960, e as pessoas gradualmente revelaram o segredo da folha de lótus. Em 1977, Barthlott e Neinhuis, da Universidade de Berna, Alemanha, estudaram a estrutura da superfície da folha de lótus por microscopia eletrônica de varredura (como mostrado na Figura 1). É revelado que a estrutura da mastóide micron na superfície da folha de lótus e a substância da cera são a chave para sua função de auto-limpeza. Eles acreditam que o "efeito foliar" resultante é causado por uma combinação de um material de baixa energia superficial, como uma substância cerosa e uma estrutura rugosa de mícrons do processo leitoso.
Estudos demonstraram que um grande número de estruturas de microemulsão de cera do tamanho de um mícron é distribuído na superfície da folha de lótus (Fig. 1 (a)); um grande número de estruturas ramificadas finas em nanoescala é distribuído em cada mastóide (Fig. 1 (b)); Além disso, existem muitos tubos finos tridimensionais cerosos na epiderme da folha de lótus (Fig. 1 (c)). Essa estrutura compósita micro-nano resulta em uma baixa área de contato entre as gotas de água e a superfície da folha de lótus. Portanto, o componente de cera da superfície da folha de lótus e a estrutura micro / nano compósita trabalham juntos para proporcionar uma super-hidrofobicidade única e baixa adesão à folha de lótus. O ângulo de contato e o ângulo de rolagem da água na folha de lótus são de aproximadamente 160 ° e 2 °, respectivamente. As gotículas de água são quase esféricas na superfície da folha de lótus e podem rolar livremente em todas as direções, removendo o pó na superfície da folha de lótus, mostrando um bom efeito de autolimpeza (Fig. 1 (d)). O efeito de lótus, ou seja, a superfície autolimpante, exibe uma forte capacidade antipoluição quando o ângulo de contato com a água é superior a 150 °, ou seja, contaminantes da superfície como poeira podem ser levados pelas gotas de água que caem sem deixando vestígios.

Da natureza à biônica: o passado e o presente de materiais super-hidrofóbicos 1

Figura 1 Imagem SEM da superfície da folha de lótus
Além das folhas de lótus, existem muitas plantas e animais no mundo que são super-hidrofóbicos. As gotículas de água nas folhas do arroz são mais individuais do que as gotículas de água na superfície da folha de lótus. Diferentemente das gotas de água na superfície da folha de lótus, que podem rolar em qualquer direção, as gotas de água nas folhas do arroz podem rolar facilmente na direção do crescimento da lâmina, enquanto é mais difícil rolar na direção vertical . Isso ocorre porque as folhas de arroz têm uma série de saliências orientadas para a linha e uma estrutura de ranhura unidimensional (Fig. 2 (a)). Na direção horizontal para o crescimento da lâmina, o ângulo de rolagem da gota é de 3 ° a 5 ° e, na direção vertical, o ângulo de rolagem é de 9 ° a 15 °. O alinhamento linear da estrutura mastóide na superfície da folha de arroz fornece às gotículas diferentes barreiras energéticas que se infiltram nas duas direções. Semelhante às asas de uma borboleta, quando as asas da borboleta são ventiladas, as gotas de água rolam ao longo do eixo do eixo, para que as gotas não molhem o corpo da borboleta. Acontece que as asas das borboletas são cobertas por um grande número de escalas micro-nano orientadas ao longo do eixo do eixo (Fig. 2 (b)). Essa estrutura micro-nano altamente direcional afeta efetivamente o comportamento de umedecimento das gotas de água, de modo que as gotas de água podem rolar facilmente na direção radial enquanto são incorporadas na direção oposta. Dois estados diferentes podem ser ajustados controlando a postura do bater das asas ou a direção do ar que passa através da superfície das asas. Essa adesão anisotrópica permite que as asas das borboletas sejam limpas direcionalmente em um ambiente úmido, garantindo estabilidade durante o vôo e evitando o acúmulo de poeira.
Ao contrário de pequenas gotas de água na superfície da folha de lótus que podem ser facilmente enroladas, as pequenas gotas de água nas pétalas de rosa tendem a aderir à superfície. Através da exploração microscópica de pétalas de rosa, os cientistas descobriram que a superfície das pétalas de rosa é composta por mastóides do tamanho de mícrons, enquanto na ponta das mastóides existem muitas estruturas dobradas em escala nano, e essa estrutura nano-dobrável é o resultado de alta adesão de pétalas de rosa. O fator chave (Figura 2 (c)). O gás pode estar presente na estrutura nano-dobrada, enquanto a água pode penetrar facilmente entre a micro-mamária. A mesma coisa que as pétalas de rosa é a sola da lagartixa. A sola da lagartixa é super-hidrofóbica e autolimpante, mas o que excita os cientistas é que a sola da lagartixa tem uma capacidade ultra-adesiva de se mover livremente em uma superfície lisa. Isso se deve às cerdas micronizadas bem alinhadas na superfície da sola da lagartixa, que são compostas por centenas de pontas menores em nanoescala (Fig. 2 (d)). A força de Van der Waals gerada pelo contato entre as nanotips das cerdas da lagartixa e a superfície sólida é o suporte da lagartixa para rastejar em vários ângulos.
Os olhos compostos de mosquito são arranjados com pequenos olhos hexagonais apertados e uma protuberância hexagonal apertada é disposta em cada olho pequeno (Fig. 2 (e)). Essa estrutura composta exclusiva torna os olhos compostos dos mosquitos extremamente hidrofóbicos. Quando o mosquito é exposto a um ambiente nebuloso, pode-se descobrir que gotículas muito pequenas não são formadas na superfície do olho do mosquito, e uma grande quantidade de gotículas é condensada na penugem ao redor do olho do mosquito. Essa natureza extremamente hidrofóbica impede que as gotículas adiram e se aglomerem na superfície dos olhos do mosquito, proporcionando uma visão clara do mosquito. Essa descoberta fornece uma idéia inspiradora de pesquisa para o desenvolvimento de materiais de superfície anti-embaciamento.
A lontra pode caminhar facilmente ou até pular na água. O segredo é a poderosa super-hidrofobicidade de suas pernas peludas. Quando a lontra fica na superfície da água, suas pernas formam um vórtice com uma profundidade de cerca de 4 mm, em vez de perfurar a superfície da água. Cada perna possui uma força super-hidrofóbica forte e durável, capaz de suportar cerca de 15 vezes o seu peso. Ao mesmo tempo, também foi encontrada a microestrutura especial da perna de sanguessuga, e um grande número de microestruturas em forma de faixa ordenada cobriu as pernas da sanguessuga, essas microestruturas foram orientadas em um ângulo de cerca de 20 ° e cada estrutura de micro-tira Consiste em uma nano-ranhura em espiral (Fig. 2 (f)). Essa estrutura micro-nano multi-escala em camadas captura efetivamente o gás entre a perna da sanguessuga e a superfície da água para formar um poderoso filme de gás. A capacidade robusta e super-hidrofóbica das pernas da lontra inspira o design de novos equipamentos aquáticos.

Da natureza à biônica: passado e presente de materiais super-hidrofóbicos 2

Fig. 2 Microestrutura diferente de diferentes animais
Revelação natural: do “efeito lótus” das superfícies autolimpantes à construção de superfícies super-hidrofóbicas
Direito humano, direito da terra, céu e direito, o direito do Tao é natural. Ao estudar as folhas de plantas com super-hidrofobicidade na natureza, pode-se saber que a preparação de superfícies super-hidrofóbicas requer duas condições: uma é que a superfície do material tenha uma energia superficial muito baixa; a outra é que a superfície do material sólido tem uma certa rugosidade e um mícron. E a estrutura dupla do nano.
Do ângulo de contato estático da superfície sólida, a chave para determinar a liofobicidade da superfície sólida está na composição química da superfície do material, e a rugosidade da superfície apenas aumenta esse efeito. Portanto, ao construir uma superfície sólida super-hidrofóbica, é geralmente construir uma superfície rugosa em uma superfície com baixa energia superficial ou modificar uma substância com baixa energia superficial em uma superfície rugosa. Primeiro, as pessoas começaram a estudar a preparação de materiais de baixa energia superficial e descobriram que os materiais sólidos com menor energia superficial são materiais contendo siloxano e flúor. Entre eles, os materiais contendo flúor são os mais excelentes, e sua energia superficial é cerca de 10 mN / m menor que a do siloxano, e o flúor é o menor raio atômico de todos os elementos, exceto o hidrogênio. Possui forte eletronegatividade, alta energia de ligação de fluorocarbono, baixa energia coesa e alta estabilidade térmica e estabilidade química. Possui as características de resistência ao calor, resistência às intempéries, resistência química e baixo índice de refração. Quando a superfície do material - os grupos CF3 são empilhados em uma ordem firmemente compactada de hexágonos, a superfície sólida apresenta a menor tensão superficial de 6,7 mJ / m 2. Portanto, a maioria dos materiais atualmente preparados com baixa energia superficial são principalmente materiais contendo flúor. Além disso, as pessoas começaram a tentar métodos diferentes para controlar a estrutura da superfície para preparar revestimentos super-hidrofóbicos. Atualmente, métodos de auto-montagem camada por camada, métodos de deposição física ou química de vapor, métodos de ataque químico, métodos de moldagem, métodos de pulverização eletrostática e métodos sol-gel são comumente usados.
Oportunidades e desafios para materiais super-hidrofóbicos: durabilidade e transparência
Embora os materiais super-hidrofóbicos possuam amplas perspectivas de aplicação na vida real, ainda existem muitas dificuldades em realizar a aplicação generalizada da super-hidrofobicidade na prática, e o maior desafio é a durabilidade e a transparência. O revestimento hidrofóbico tem baixa adesão ao substrato, e a estrutura rugosa também é muito frágil. Quando a superfície é sujeita a efeitos mecânicos, como impacto e atrito, é facilmente danificada e perde propriedades super-hidrofóbicas. Portanto, o desenvolvimento de um revestimento super-hidrofóbico com anti-fricção estável ou uma superfície super-hidrofóbica com função de auto-reparo tornou-se um problema urgente no campo de pesquisa de materiais super-hidrofóbicos. Em geral, para obter super-hidrofóbica, a superfície terá uma certa rugosidade e, quanto maior a rugosidade, maior o índice de refração e menor a transparência. Isso limita bastante a aplicação de materiais super-hidrofóbicos em dispositivos ópticos.

Conclusão

Da natureza à biônica, materiais super-hidrofóbicos começaram a partir da folha de lótus e foram desenvolvidos até hoje. Os cientistas nunca deixaram de explorar a natureza. Acredito que à medida que aprofundamos nossa exploração da natureza, nossa compreensão da natureza continua a se aprofundar, e o campo da super-hidrofobicidade certamente fará um progresso maior.

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