Isfobicitet

Isfobicitet (från is och grekiska φόβος phobos "rädsla") är en fast ytas förmåga att stöta bort is eller förhindra isbildning på grund av en viss topografisk struktur på ytan. Ordet "isfobisk" användes för första gången åtminstone 1950; Men framstegen inom mikromönstrade ytor resulterade i ett växande intresse för isfobicitet sedan 2000-talet.

Isfobicitet vs hydrofobicitet

Termen "isfobicitet" liknar termen hydrofobicitet och andra "-fobiciteter" inom fysikalisk kemi ( oleofobicitet , lipofobicitet , omnifobicitet, amfifobicitet, etc.). Isfobiciteten skiljer sig från avisning och anti-isning genom att isfoba ytor, till skillnad från anti-isningsytor, inte kräver speciell behandling eller kemisk beläggning för att förhindra isbildning,

Det finns ytterligare parallellitet mellan hydrofobicitet och isfobicitet. Hydrofobiciteten är avgörande för den " hydrofoba effekten " och hydrofoba interaktioner . För två hydrofoba molekyler (t.ex. kolväten) placerade i vatten finns det en effektiv frånstötande hydrofob kraft, entropisk till sitt ursprung, på grund av deras interaktion med vattenmediet. Den hydrofoba effekten är ansvarig för veckning av proteiner och andra makromolekyler som leder till deras fraktala form. Under iskristallbildning ( snöflinga ) sker synkroniseringen av grentillväxt på grund av interaktionen med mediet (övermättad ånga) – påminner något om den hydrofoba effekten – den uppenbara avstötningen av de hydrofoba partiklarna på grund av deras interaktion med mediet (vatten). ). Följaktligen, trots att formerna på snöflingor är mycket olika med "inga två flingor som liknar varandra", är de flesta snökristaller symmetriska med var och en av de sex grenarna nästan identiska med de andra fem grenarna. Vidare kan både hydrofobicitet och isfobicitet leda till ganska komplexa fenomen, såsom självorganiserad kritikalitetsdriven komplexitet som ett resultat av hydrofoba interaktioner (vid vätning av grova/heterogena ytor eller under polypeptidkedjeveckning och looping) eller iskristallisation (fraktala snöflingor) ).

Observera att termodynamiskt både de hydrofoba interaktionerna och isbildningen drivs av minimeringen av Gibbs ytenergi , ΔG = ΔH − TΔS, där H, T och S är entalpi , temperatur och entropi , respektive. Detta beror på att i de hydrofoba interaktionerna råder ett stort positivt värde av TAS över ett litet positivt värde på AH, vilket gör spontan hydrofob interaktion energiskt lönsam. Den så kallade ytuppruggningsövergången styr riktningen för iskristalltillväxt och sker vid den kritiska temperaturen, över vilken det entropiska bidraget till Gibbs-energin, TΔS, råder över det entalpiska bidraget, ΔH, vilket gör det mer energimässigt lönsamt för isen. kristall att vara grov snarare än slät. Detta tyder på att termodynamiskt både de isfoba och hydrofoba beteendena kan ses som entropiska effekter.

Isfobicitet skiljer sig dock från hydrofobicitet . Hydrofobicitet är en egenskap som kännetecknas av vattenkontaktvinkeln (CA) och gränsytenergierna för gränssnitten fast-vatten, fast-vatten, fast-vatten och vatten-ånga, och därför är det en termodynamisk egenskap som vanligtvis kvantitativt definieras som CA>90 grader. En annan skillnad är att hydrofobiciteten står i motsats till hydrofiliciteten på ett naturligt sätt. Det finns ingen sådan opposition mot isfobiciteten, som därför bör definieras genom att sätta en kvantitativ tröskel. Isfobiciteten är mycket mer lik hur superhydrofobiciteten definieras.

Kvantitativ karakterisering av isfobicitet

I nyare publikationer om ämnet finns det tre tillvägagångssätt för karakterisering av isfobicitet på ytan. För det första innebär isfobiciteten låg vidhäftningskraft mellan is och den fasta ytan. I de flesta fall beräknas den kritiska skjuvspänningen , även om normalspänningen också kan användas. Även om ingen explicit kvantitativ definition för isfobicitet har föreslagits hittills, karakteriserade forskarna isfoba ytor som de som har skjuvhållfastheten (maximal spänning) mindre i området mellan 150 kPa och 500 kPa och till och med så låg som 15,6 kPa.

För det andra innebär isfobiciteten förmågan att förhindra isbildning på ytan. En sådan förmåga kännetecknas av huruvida en droppe underkylt vatten (under den normala frystemperaturen på 0 C) fryser vid gränsytan. Frysningsprocessen kan karakteriseras av tidsfördröjning av heterogen iskärnbildning . Mekanismerna för droppfrysning är ganska komplexa och kan bero på temperaturnivån, på om nedkylning av droppen utförs från sidan av det fasta substratet eller från ånga och av andra faktorer.

För det tredje bör de isfoba ytorna stöta bort inkommande små droppar (t.ex. regn eller dimma ) vid temperaturer under fryspunkten .

Dessa tre definitioner innebär att isfoba ytor bör (i) förhindra frysning av vatten som kondenserar på ytan (ii) förhindra frysning av inkommande vatten (iii) om det bildas is bör det ha svag vidhäftningsstyrka med det fasta ämnet, så att det lätt kan göras tog bort. Anti-isbildningsegenskaper kan bero på sådana omständigheter som om den fasta ytan är kallare än luften/ångan, hur stor temperaturgradienten är och om en tunn film av vatten tenderar att bildas på den fasta ytan på grund av kapilläreffekter, sönderdelningstryck , etc. Mekaniska egenskaper hos is och substrat är också av stor betydelse eftersom isavfall sker som sprickor, antingen i Mode I (normal) eller Mode II (skjuvning), så att sprickkoncentratorer är en stor bidragande orsak till den minskade hållfastheten.