От природы к бионике: прошлое и настоящее супергидрофобных материалов

Супергидрофобный материал представляет собой материал, который отталкивает воду, и капли воды не распределяются по его поверхности со скольжением для сохранения сферической формы, благодаря чему достигается эффект самоочищения качения. Смачиваемость – одно из важных свойств поверхности твердых материалов. Ключевые факторы, определяющие смачивающие свойства поверхности материала, включают химический состав поверхности материала и микроскопическую геометрию поверхности. Поэтому ученые имеют поверхность со статическим углом контакта с водой более 150° и углом качения менее 10°, называемую супергидрофобной поверхностью. Супергидрофобные материалы обычно имеют микро-нанокомпозитную структуру и химическое вещество с низкой поверхностной энергией, что также является необходимым условием для того, чтобы стать супергидрофобным материалом. Из-за превосходных характеристик самоочищения, отделения масла от воды, коррозионной стойкости, защиты от обледенения и запотевания супергидрофобные поверхности в последние годы пользуются популярностью у материаловедов, привлекая большое количество ученых к инвестированию в исследование супергидрофобных материалов.

На самом деле, более 2000 лет назад люди обнаружили, что некоторые растения растут в иле, но его листья почти всегда чистые, типичным примером является лист лотоса. Цветы лотоса обычно растут на болотах и мелководьях, но они обладают характеристиками «отстоя и не окрашивания», что делает цветок лотоса символом чистоты на протяжении тысячелетий. Пыль и грязь на листе лотоса легко уносятся каплями росы и дождем, сохраняя поверхность чистой. Ученые называют это явление дополнительной очистки «эффектом лотоса».

Однако механизм листа лотоса, который всегда остается чистым, не был известен до тех пор, пока в середине 1960-х годов не была разработана сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), и люди постепенно не раскрыли секрет листа лотоса. В 1977 году Бартлотт и Нейнхейс из Бернского университета, Германия, изучили структуру поверхности листа лотоса с помощью сканирующей электронной микроскопии (как показано на рисунке 1). Выявлено, что микронные сосцевидные структуры на поверхности листа лотоса и восковое вещество являются залогом его функции самоочищения. Они считают, что результирующий «эффект листа» вызван сочетанием материала с низкой поверхностной энергией, такого как воскообразное вещество, и микронной шероховатой структуры млечного отростка.

Исследования показали, что на поверхности листа лотоса распределено большое количество восковых микроэмульсионных структур микронного размера (рис. 1, а); на каждом сосцевидном отростке распределено большое количество наноразмерных мелковетвистых структур (рис. 1(б)); Кроме того, на эпидермисе листа лотоса много восковых трехмерных тонких трубочек (рис. 1(в)). Такая микро-нанокомпозитная структура приводит к малой площади контакта между каплями воды и поверхностью листа лотоса. Таким образом, компонент поверхностного воска листа лотоса и структура микро/нанокомпозита работают вместе, чтобы придать листу лотоса уникальную супергидрофобность и низкую адгезию. Контактный угол и угол скатывания воды на листе лотоса составляют около 160° и 2° соответственно. Капли воды имеют почти сферическую форму на поверхности листа лотоса и могут свободно катиться во всех направлениях, удаляя пыль с поверхности листа лотоса, демонстрируя хороший эффект самоочищения (рис. 1(d)). Эффект лотоса, то есть самоочищающаяся поверхность, проявляет сильную защиту от загрязнения, когда угол контакта с водой превышает 150°, то есть поверхностные загрязнители, такие как пыль, могут быть унесены падающими каплями воды без оставляя какие-либо следы.

Рис. 1 СЭМ-изображение поверхности листа лотоса

Помимо листьев лотоса, в мире существует множество растений и животных, обладающих супергидрофобностью. Капли воды на листьях риса более индивидуальны, чем капли воды на поверхности листа лотоса. В отличие от капель воды на поверхности листа лотоса, которые могут катиться в любом направлении, капли воды на листьях риса могут легко катиться в направлении роста лезвия, тогда как в вертикальном направлении катиться труднее. . Это связано с тем, что листья риса имеют линейный массив выступов и одномерную структуру борозд (рис. 2 (а)). В направлении, горизонтальном росту лопасти, угол качения капли составляет 3°-5°, а в вертикальном направлении угол качения составляет 9°-15°. Линейное расположение сосцевидной структуры на поверхности рисового листа обеспечивает каплям различные энергетические барьеры, проникающие в обоих направлениях. Подобно крыльям бабочки, когда крылья бабочки распушены, капли воды будут катиться вдоль оси оси так, что капли не смачивают тело бабочки. Оказывается, крылья бабочки покрыты большим количеством микро-наночешуек, ориентированных вдоль оси оси (рис. 2(б)). Эта высоконаправленная микро-наноструктура эффективно влияет на смачивание капель воды, так что капли воды могут легко скатиться в радиальном направлении, в то время как встраиваются в противоположном направлении. Два разных состояния можно регулировать, контролируя положение взмахов крыльев или направление воздуха, проходящего через поверхность крыльев. Эта анизотропная адгезия позволяет направленно очищать крылья бабочки во влажной среде, обеспечивая стабильность во время полета и предотвращая накопление пыли.

В отличие от маленьких капель воды на поверхности листа лотоса, которые можно легко свернуть, маленькие капли воды на лепестках роз имеют тенденцию прилипать к поверхности. Путем микроскопического исследования лепестков роз ученые обнаружили, что поверхность лепестков роз состоит из сосцевидных отростков микронного размера, а на кончиках сосцевидных отростков имеется множество складчатых наноструктур, и эта наноскладчатая структура является результатом высокой адгезии лепестков роз. Ключевой фактор (рис. 2 (в)). В наноскладчатой структуре может присутствовать газ, а вода может легко проникать между микромаммарами. То же, что и лепестки роз, — это подошва геккона. Подошва геккона супергидрофобна и самоочищается, но что волнует ученых, так это то, что подошва геккона обладает сверхадгезивной способностью свободно двигаться по гладкой поверхности. Это связано с хорошо выровненными микронизированными щетинками на поверхности подошвы геккона, которые состоят из сотен более мелких наноразмерных концов (рис. 2(d)). Сила Ван-дер-Ваальса, создаваемая контактом между нанокончиками щетинок геккона и твердой поверхностью, помогает геккону ползать под разными углами.

Комариные сложные глаза расположены с плотными шестиугольными маленькими глазками, а на каждом маленьком глазу расположен плотный шестиугольный выступ (рис. 2(д)). Эта уникальная композитная структура делает сложные глаза комаров чрезвычайно гидрофобными. Когда комар подвергается воздействию тумана, можно обнаружить, что очень маленькие капли не образуются на поверхности глаза комара, а большое количество капель конденсируется на пуху вокруг глаза комара. Эта чрезвычайно гидрофобная природа предотвращает прилипание и агломерацию капель на поверхности глаз комара, давая комару четкий обзор. Это открытие дает вдохновляющую исследовательскую идею для разработки сухих антизапотевающих материалов для поверхностей.

Выдра может легко ходить и даже прыгать по воде. Секрет в мощной супергидрофобности его мохнатых ног. Когда выдра стоит на поверхности воды, ее ноги вместо того, чтобы протыкать поверхность воды, образуют вихрь глубиной около 4 мм. Каждая нога имеет сильную и долговечную супергидрофобную силу, которая может выдерживать примерно в 15 раз больше собственного веса. В то же время была обнаружена и особая микроструктура ноги пиявки, а также большое количество упорядоченных полосовидных микроструктур, покрывающих ноги пиявки, эти микроструктуры были ориентированы под углом около 20°, а каждая микрополосковая структура состоит из спиральной наноканавки (рис. 2 (е)). Эта уникальная слоистая микро-нано многомасштабная структура эффективно захватывает газ между ногой пиявки и поверхностью воды, образуя мощную газовую пленку. Прочная, супергидрофобная способность ног выдры вдохновляет на разработку нового водного снаряжения.

Рис. 2 Различная микроструктура у разных животных

Открытие природы: от «эффекта лотоса» самоочищающихся поверхностей к созданию супергидрофобных поверхностей

Человеческий закон, земной закон, небо и закон, закон Дао естественны. Изучая листья растений, обладающих супергидрофобностью в природе, можно узнать, что приготовление супергидрофобных поверхностей требует двух условий: первое состоит в том, что поверхность материала имеет очень низкую поверхностную энергию; другой заключается в том, что поверхность твердого материала имеет определенную шероховатость и имеет микрон. И двойная структура нано.

От статического контактного угла твердой поверхности ключ к определению лиофобности твердой поверхности лежит в химическом составе поверхности материала, а шероховатость поверхности только усиливает этот эффект. Следовательно, при построении супергидрофобной твердой поверхности обычно необходимо построить шероховатую поверхность на поверхности с низкой поверхностной энергией или модифицировать вещество с низкой поверхностной энергией на шероховатой поверхности. Сначала люди начали изучать получение материалов с низкой поверхностной энергией и обнаружили, что твердыми материалами с самой низкой поверхностной энергией являются силоксановые и фторсодержащие материалы. Среди них фторсодержащие материалы являются самыми превосходными, их поверхностная энергия примерно на 10 мН/м ниже, чем у силоксана, а фтор имеет наименьший атомный радиус среди всех элементов, кроме водорода. Он обладает сильной электроотрицательностью, высокой энергией фторуглеродной связи, низкой энергией когезии, высокой термической стабильностью и химической стабильностью. Он обладает характеристиками термостойкости, атмосферостойкости, химической стойкости и низким показателем преломления. Когда поверхность материала - группы CF3 уложены в плотно упакованном порядке шестиугольников, твердая поверхность имеет самое низкое поверхностное натяжение 6,7 мДж/м 2 . Поэтому большинство материалов, получаемых в настоящее время с низкой поверхностной энергией, в основном являются фторсодержащими материалами. Кроме того, люди начали пробовать различные методы управления структурой поверхности для получения супергидрофобных покрытий. В настоящее время широко используются методы послойной самосборки, методы физического или химического осаждения из паровой фазы, методы травления, темплатные методы, методы электростатического напыления и золь-гель методы.

Возможности и проблемы для супергидрофобных материалов: долговечность и прозрачность

Хотя супергидрофобные материалы имеют широкие перспективы применения в реальной жизни, все еще остается много трудностей в реализации широкого применения супергидрофобности на практике, и самая большая проблема — это долговечность и прозрачность. Гидрофобное покрытие имеет плохую адгезию к основанию, а шероховатая структура также очень хрупкая. Когда поверхность подвергается механическим воздействиям, таким как удар и трение, она легко повреждается и теряет супергидрофобные свойства. Поэтому разработка супергидрофобного покрытия со стабильной антифрикционной или супергидрофобной поверхностью с функцией самовосстановления стала актуальной задачей в области исследований супергидрофобных материалов. В общем, для получения супергидрофобности поверхность должна иметь определенную шероховатость, и чем больше шероховатость, тем больше показатель преломления и меньше прозрачность. Это сильно ограничивает применение супергидрофобных материалов в оптических устройствах.

От природы до бионики, супергидрофобные материалы начались с листьев лотоса и разрабатываются по сей день. Ученые никогда не переставали исследовать природу. Я считаю, что по мере того, как мы углубляем наше исследование природы, наше понимание природы продолжает углубляться, и область супергидрофобности, безусловно, сделает больший прогресс.