Ultrahydrofobicitet

En droppe på en lotusyta, med en kontaktvinkel som är större än 146°.

En vattendroppe som faller på en superhydrofob, elastisk yta.

Ultrahydrofoba (eller superhydrofoba ) ytor är mycket hydrofoba , dvs extremt svåra att väta . Kontaktvinklarna för en vattendroppe på ett ultrahydrofobt material överstiger 150° . Detta kallas också för lotuseffekten , efter lotusväxtens superhydrofoba blad . En droppe som träffar den här typen av ytor kan studsa helt som en elastisk boll. Interaktioner mellan studsande droppar kan reduceras ytterligare med hjälp av speciella superhydrofoba ytor som främjar symmetribrott, pannkakastuds eller vattenskålsstuds.

Teori

År 1805 definierade Thomas Young kontaktvinkeln θ genom att analysera krafterna som verkar på en vätskedroppe vilande på en jämn fast yta omgiven av en gas.

En vätskedroppe vilar på en fast yta och är omgiven av gas. Kontaktvinkeln, θ _C , är vinkeln som bildas av en vätska vid trefasgränsen där vätskan, gasen och det fasta ämnet skär varandra.

En droppe som vilar på en fast yta och omgiven av en gas bildar en karakteristisk kontaktvinkel θ . Om den fasta ytan är grov och vätskan är i intim kontakt med de fasta sprickorna, är droppen i Wenzel-tillståndet. Om vätskan vilar på toppen av asperiteterna är den i Cassie-Baxter-tillståndet.

$\gamma _{SG}\ =\gamma _{SL}+\gamma _{LG}\cos {\theta }$

var

$\gamma _{SG}\$ = Gränsytans spänning mellan fast och gas

$\gamma _{SL}\$ = Gränsytans spänning mellan fast och flytande

$\gamma _{LG}\$ = Gränsytans spänning mellan vätskan och gasen

θ kan mätas med en kontaktvinkelgoniometer .

Wenzel bestämde att när vätskan är i intim kontakt med en mikrostrukturerad yta kommer θ att ändras till θ _{W *}

$\cos \theta _{W}*=r\cos \theta$

där r är förhållandet mellan den faktiska arean och den projicerade arean. Wenzels ekvation visar att mikrostrukturering av en yta förstärker ytans naturliga tendens. En hydrofob yta (en som har en ursprunglig kontaktvinkel större än 90°) blir mer hydrofob när den är mikrostrukturerad – dess nya kontaktvinkel blir större än originalet. En hydrofil yta (en som har en ursprunglig kontaktvinkel mindre än 90°) blir dock mer hydrofil när den är mikrostrukturerad – dess nya kontaktvinkel blir mindre än originalet.

Cassie och Baxter fann att om vätskan suspenderas på toppen av mikrostrukturer kommer θ att ändras till θ _CB*

$\cos \theta _{CB}*=\varphi (\cos \theta +1)-1$

där φ är areadelen av det fasta ämnet som vidrör vätskan. Vätska i delstaten Cassie-Baxter är mer rörlig än i delstaten Wenzel.

Det kan förutsägas om tillståndet Wenzel eller Cassie-Baxter skulle existera genom att beräkna den nya kontaktvinkeln med båda ekvationerna. Genom en minimering av argumentet för fri energi är förhållandet som förutspådde den mindre nya kontaktvinkeln det tillstånd som mest sannolikt kommer att existera. Matematiskt uttryckt, för att Cassie-Baxter-staten ska existera måste följande ojämlikhet vara sann.

$\cos \theta <{\frac {\varphi -1}{r-\varphi }}$

Ett nyligt alternativt kriterium för Cassie-Baxter-staten hävdar att Cassie-Baxter-tillståndet existerar när följande 2 kriterier är uppfyllda:

1) Kontaktlinjekrafter övervinner kroppskrafter av ostödd droppvikt och

2) Mikrostrukturerna är tillräckligt höga för att förhindra att vätskan som överbryggar mikrostrukturer vidrör basen av mikrostrukturerna.

Kontaktvinkel är ett mått på statisk hydrofobicitet, och kontaktvinkelhysteres och glidvinkel är dynamiska mått. Kontaktvinkelhysteres är ett fenomen som kännetecknar ytheterogenitet. När en pipett injicerar en vätska på ett fast ämne, kommer vätskan att bilda en kontaktvinkel. När pipetten injicerar mer vätska kommer droppen att öka i volym, kontaktvinkeln ökar, men dess trefasgräns kommer att förbli stationär tills den plötsligt går utåt. Kontaktvinkeln som droppen hade omedelbart före avancemang utåt benämns den framskridande kontaktvinkeln. Den vikande kontaktvinkeln mäts nu genom att pumpa tillbaka vätskan ur droppen. Droppen kommer att minska i volym, kontaktvinkeln kommer att minska, men dess trefasgräns kommer att förbli stationär tills den plötsligt drar sig inåt. Kontaktvinkeln som droppen hade omedelbart innan den gick tillbaka inåt kallas den avtagande kontaktvinkeln. Skillnaden mellan framryckande och avtagande kontaktvinklar kallas kontaktvinkelhysteres och kan användas för att karakterisera ytheterogenitet, grovhet och rörlighet. Ytor som inte är homogena kommer att ha domäner som hindrar kontaktledningens rörelse. Glidvinkeln är ett annat dynamiskt mått på hydrofobicitet och mäts genom att avsätta en droppe på en yta och luta ytan tills droppen börjar glida. Vätskor i Cassie-Baxter-tillståndet uppvisar i allmänhet lägre glidvinklar och kontaktvinkelhysteres än de i Wenzel-tillståndet.

En enkel modell kan användas för att förutsäga effektiviteten hos en syntetisk mikro- eller nanotillverkad yta för dess villkorade tillstånd (Wenzel eller Cassie-Baxter), kontaktvinkel och kontaktvinkelhysteres . Huvudfaktorn för denna modell är kontaktledningstätheten, Λ , som är den totala omkretsen av ojämnheter över en given enhetsarea.

Prov på hydrofob yta som består av fyrkantiga pelare. Λ = 4 x / y ²

Den kritiska kontaktledningstätheten Λ _C är en funktion av kropps- och ytkrafter, såväl som den projicerade ytan av droppen.

$\Lambda _{C}={\frac {-\rho {g}{V^{1/3}} {\Big (}{\Big (}{\frac {1-\cos(\theta _{a})}{\sin(\theta _{a})}}{\Big )}{\Big (} 3+{\Big (}{\frac {1-\cos(\theta _{a})}{\sin(\theta _{a})}}{\Big )}^{2}{\Big ) }{\Big )}^{2/3}}{(36\pi )^{1/3}\gamma \cos(\theta _{a,0}+w-90)}}$

var

ρ = vätskedroppens densitet

g = acceleration på grund av gravitationen

V = vätskedroppens volym

θ _a = framskridande skenbar kontaktvinkel

θ _{a ,0} = framskridande kontaktvinkel för ett slätt substrat

γ = vätskans ytspänning

w = tornväggen vinkel

Om Λ > Λ _C suspenderas dropparna i Cassie-Baxter-tillståndet. Annars kommer droppen att kollapsa till Wenzel-tillståndet.

För att beräkna uppdaterade fram- och sjunkande kontaktvinklar i Cassie-Baxter-tillståndet kan följande ekvationer användas.

$\theta _{a}=\lambda _{p}(\theta _{a,0}+w )+(1-\lambda _{p})\theta _{luft}$

$\theta _{r}=\lambda _{p}\theta _{r,0}+(1-\lambda _{p})\theta _{luft}$

med även Wenzel-staten:

$\theta _{a}=\lambda _{p}(\theta _{a,0}+w) +(1-\lambda _{p})\theta _{a,0}$

$\theta _{r }=\lambda _{p}(\theta _{r,0}-w)+(1-\lambda _{p})\theta _{r,0}$

var

λ _p = linjär fraktion av kontaktlinjen på ojämnheterna

θ _{r ,0} = vikande kontaktvinkel för ett slätt substrat

θ _luft = kontaktvinkel mellan vätska och luft (antas vanligtvis vara 180°)

Enhetsstrukturer kontra hierarkiska grovhetsstrukturer

₀ M. Nosonovsky och B. Bhushan studerade effekten av enhetliga (icke-hierarkiska) strukturer av mikro- och nano-råhet, och hierarkiska strukturer (mikro-jämnhet täckt med nano-jämnhet). De fann att hierarkisk struktur inte bara var nödvändig för en hög kontaktvinkel utan väsentlig för stabiliteten hos vatten-fasta och vatten-luft-gränssnitt (kompositgränssnittet). På grund av en yttre störning kan en stående kapillärvåg bildas vid vätske-luft-gränsytan. Om kapillärvågens amplitud är större än höjden av asperiteten, kan vätskan beröra dalen mellan asperiteterna; och om vinkeln under vilken vätskan kommer i kontakt med det fasta ämnet är större än h , är det energetiskt lönsamt för vätskan att fylla dalen. Effekten av kapillärvågor är mer uttalad för små ojämnheter med höjder jämförbara med vågamplituden. Ett exempel på detta ses i fallet med enhetlig grovhet, där amplituden av asperitet är mycket låg. Det är därför sannolikheten för instabilitet hos ett enhetligt gränssnitt kommer att vara mycket hög. Men i en nyligen genomförd studie fann Eyal Bittoun och Abraham Marmur att flerskalig grovhet inte nödvändigtvis är avgörande för superhydrofobicitet utan fördelaktigt för ytans mekaniska stabilitet.

Exempel i naturen

Många mycket hydrofoba material som finns i naturen förlitar sig på Cassies lag och är bifasiska på submikrometernivå. De fina hårstråna på vissa växter är hydrofoba, designade för att utnyttja vattnets lösningsmedelsegenskaper för att attrahera och ta bort solljusblockerande smuts från deras fotosyntetiska ytor. Inspirerad av denna lotuseffekt har många funktionella superhydrofoba ytor utvecklats.

Vattenstridare är insekter som lever på ytskiktet av vatten, och deras kroppar är effektivt ovätbara på grund av specialiserade hårhögar som kallas hydrofuge ; många av deras kroppsytor är täckta med dessa specialiserade "hårhår", sammansatta av små hårstrån placerade så tätt att det finns mer än tusen mikrohår per mm, vilket skapar en hydrofob yta. Liknande hydrofugeytor är kända hos andra insekter, inklusive vatteninsekter som tillbringar större delen av sitt liv nedsänkta, med hydrofoba hårstrån som förhindrar att vatten tränger in i deras andningsorgan. Hudytan på vissa arter av ödlor, såsom geckos och anoler, har också dokumenterats som mycket hydrofob, och kan underlätta självrengöring eller undervattensandning.

Vissa fåglar är bra simmare på grund av sin hydrofoba fjäderbeläggning. Pingviner är belagda i ett lager av luft och kan släppa den instängda luften för att accelerera snabbt när de behöver hoppa upp ur vattnet och landa på högre mark. Att bära en luftrock när du simmar minskar luftmotståndet och fungerar även som en värmeisolering.

Senare forskning

Skär en vattendroppe med en superhydrofob kniv på superhydrofoba ytor.

Vattendroppar som rullar nedför en 5 % lutad superhydrofob yta.

Dettre och Johnson upptäckte 1964 att fenomenet superhydrofoba lotuseffekt var relaterat till grova hydrofoba ytor, och de utvecklade en teoretisk modell baserad på experiment med glaspärlor belagda med paraffin eller TFE-telomer. Den självrengörande egenskapen hos superhydrofoba mikronanostrukturerade ytor rapporterades 1977. Perfluoralkyl-, perfluorpolyeter- och RF-plasmabildade superhydrofoba material utvecklades, användes för elektrovätning och kommersialiserades för biomedicinska tillämpningar mellan 1986 och 1995. Andra teknologier och tillämpningar har dykt upp sedan dess. mitten av 1990-talet. En hållbar superhydrofob hierarkisk komposition, applicerad i ett eller två steg, avslöjades 2002 innefattande partiklar i nanostorlek ≤ 100 nanometer som överlagrade en yta med mikrometerstora egenskaper eller partiklar ≤ 100 µm . De större partiklarna observerades skydda de mindre partiklarna från mekanisk nötning. Hållbara, optiskt transparenta superhydrofoba och oleofoba beläggningar utvecklades 2012 som omfattar nanopartiklar i storleksintervallet 10 till 100 nm.

Forskning inom superhydrofobicitet accelererade nyligen med ett brev som rapporterade konstgjorda superhydrofoba prover producerade genom att låta alkylketendimer ( AKD ) stelna till en nanostrukturerad fraktal yta. Många artiklar har sedan dess presenterat tillverkningsmetoder för att producera superhydrofoba ytor inklusive partikelavsättning, sol-gel- tekniker, plasmabehandlingar, ångavsättning och gjutningstekniker. Nuvarande möjlighet till forskningspåverkan ligger främst i grundforskning och praktisk tillverkning. Debatter har nyligen uppstått om tillämpligheten av modellerna Wenzel och Cassie-Baxter. I ett experiment utformat för att utmana ytenergiperspektivet i Wenzel och Cassie-Baxter-modellen och främja ett kontaktlinjeperspektiv, placerades vattendroppar på en slät hydrofob plats i ett grovt hydrofobt fält, en grov hydrofob plats i ett slätt hydrofobt fält, och en hydrofil fläck i ett hydrofobt fält. Experiment visade att ytkemin och geometrin vid kontaktlinjen påverkade kontaktvinkeln och kontaktvinkelhysteresen, men ytarean inuti kontaktlinjen hade ingen effekt. Ett argument att ökad ojämnhet i kontaktlinjen förbättrar dropprörligheten har också föreslagits. En metod för att experimentellt mäta taggheten i kontaktledningen använder metall med låg smälttemperatur som smälts och avsätts på mikro/nanostrukturerade ytor. När metallen svalnar och stelnar tas den bort från ytan. vänd och inspekterad för kontaktledningsmikrogeometri.

Det har gjorts några försök att tillverka en yta med inställbar vätbarhet. För spontan dropprörlighet kan en yta tillverkas med varierande tornbredder och avstånd för att gradvis öka ytans fria energi. Trenden visar att när tornets bredd ökar blir den fria energibarriären större och kontaktvinkeln sjunker, vilket minskar materialets hydrofobicitet. Ökat tornavstånd ökar kontaktvinkeln, men ökar också den fria energibarriären. Droppar rör sig naturligt mot områden med svag hydrofobicitet, så för att få en droppe spontant att flytta från en plats till en annan, skulle den ideala ytan bestå av små breddtorn med stort avstånd till stora breddtorn med litet avstånd. En varning för denna spontana rörelse är motståndet hos stationära droppar att röra sig. Initial dropprörelse kräver en extern stimulans, från något så stort som en vibration av ytan eller så litet som en enkel spruta "push" när den släpps från nålen.

Ett exempel på lätt avstämbar vätbarhet finns med specialutvecklade tyger. Genom att sträcka ett doppbelagt kommersiellt tyg fick kontaktvinklarna typiskt öka. Detta beror till stor del på ett ökat tornavstånd. Denna trend fortsätter dock inte mot större hydrofobicitet med högre belastning. Så småningom når Cassie-Baxter-tillståndet en instabilitet och övergår till Wenzel-tillståndet och blötlägger tyget.

Ett exempel på ett biomimetiskt superhydrofobt material inom nanoteknik är nanopinfilm . I en studie presenteras en vanadinpentoxid V ₂ O _{5 yta som kan växla reversibelt mellan superhydrofobicitet och} superhydrofilicitet under påverkan av UV-strålning. Enligt studien kan vilken yta som helst modifieras till denna effekt genom att applicera en suspension av rosliknande V ₂ O ₅ -partiklar, till exempel med en bläckstråleskrivare . Återigen induceras hydrofobicitet av interlaminära luftfickor (separerade med 2,1 nm avstånd). UV-effekten förklaras också. UV-ljus skapar elektron-hålpar , där hålen reagerar med gittersyre skapar ytvakanser för syre medan elektronerna reducerar V ⁵⁺ till V ³⁺ . Syrevakanserna möts av vatten och denna vattenupptagningsförmåga av vanadinytan gör den hydrofil. Genom utökad förvaring i mörker ersätts vatten med syre och hydrofilicitet går återigen förlorat.

Ett annat exempel på en biomimetisk yta inkluderar mikroblommor på vanliga polymerpolykarbonater. De binära mikro/nanostrukturerna (MNBS) imiterar den typiska mikro/nanostrukturen hos ett lotusblad. Dessa mikroblommor erbjuder funktioner i nanoskala som förbättrar ytans hydrofobicitet, utan användning av beläggningar med låg ytenergi. Skapandet av den superhydrofoba ytan genom ånginducerad fasseparation vid varierande omgivande relativa fuktigheter orsakade en likaledes förändring av ytans kontaktvinkel. Ytor förberedda erbjuder kontaktvinklar högre än 160° med typiska glidvinklar runt 10°. En nyligen genomförd studie har avslöjat en bikakeliknande mikrostruktur på tarobladet, vilket gör bladet superhydrofobiskt. Den uppmätta kontaktvinkeln på tarobladet i denna studie är cirka 148 grader.

Beläggningar med låg ytenergi kan också ge en superhydrofob yta. En självmonterad monolager (SAM) beläggning kan ge sådana ytor. För att bibehålla en hydrofob yta binder huvudgrupperna tätt till ytan, medan de hydrofoba micellerna sträcker sig långt bort från ytan. Genom att variera mängden SAM du belägger på ett underlag kan man variera graden av hydrofobicitet. Särskilda superhydrofoba SAM:er har en hydrofob huvudgrupp som binder till substratet. _. CH3 (CH2 ₎ 11SH ₎ sätts 1-dodekantiol (DT; ihop på ett Pt/ZnO/SiO2- _{kompositsubstrat} , vilket ger kontaktvinklar på 170,3° Monoskikten kan också avlägsnas med en UV-källa, vilket minskar hydrofobiciteten. En enkel tillverkningsmetod skulle kunna skapa både mikrostruktur och låg ytspänning i ett steg genom att använda oktadecyltriklorsilan (OTS).

Superhydrofoba ytor kan stabilisera Leidenfrost-effekten genom att göra ångskiktet stabilt. När ångskiktet väl är etablerat, kollapsar kylning aldrig skiktet, och ingen kärnkokning inträffar; lagret slappnar istället långsamt av tills ytan svalnat.

superhydrofoba polymerytor med kontrollerad geometri kan vara dyrt och tidskrävande, men ett litet antal kommersiella källor för forskningslabb.

Potentiella applikationer

Ett test av superhydrofob färg.

Aktiv ny forskning om superhydrofoba material kan så småningom leda till industriella tillämpningar. Vissa försök att tillverka en superhydrofob yta inkluderar att efterlikna en lotusbladsyta, nämligen den tvåskiktiga egenskapen. Detta kräver ytor i mikroskala med typiskt nanoskaliga egenskaper ovanpå dem. Till exempel har en enkel rutin att belägga bomullstyg med kiseldioxid- eller titanoxidpartiklar med sol-gel- teknik rapporterats, vilket skyddar tyget från UV-ljus och gör det superhydrofobt. På liknande sätt kan nanopartiklar av kiseldioxid deponeras ovanpå redan hydrofobt koltyg. Kolväven i sig identifieras som i sig hydrofob, men särskiljs inte som superhydrofob eftersom dess kontaktvinkel inte är högre än 150°. Med vidhäftning av silikananopartiklar uppnås kontaktvinklar så höga som 162°. Att använda nanopartiklar av kiseldioxid är också av intresse för att utveckla transparenta hydrofoba material för bilvindrutor och självrengörande fönster. Genom att belägga en redan genomskinlig yta med nanokiseldioxid med cirka 1 viktprocent kan droppkontaktvinklar höjas upp till 168° med en glidvinkel på 12°.

En effektiv rutin har rapporterats för att göra linjär lågdensitetspolyeten superhydrofob och därmed självrengörande; 99 % av smutsen som avsatts på en sådan yta tvättas lätt bort. Mönstrade superhydrofoba ytor har också löften för lab-on-a-chip, mikrofluidiska enheter och kan drastiskt förbättra den ytbaserade bioanalysen. Inom textilindustrin avser superhydrofobicitet statiska avrullningsvinklar för vatten på 20° eller mindre. Ett exempel på superhydrofob effekt i liveapplikation är teamet Alinghi i America's Cup som använder specialbehandlade segeljackor. Behandlingen byggs upp av mikrometerstora partiklar i kombination med traditionell fluorkemi.

Det har skett en ny utveckling av superhydrofobt papper som har unika egenskaper för sin tillämpning inom pappersbaserad elektronik och medicinsk industri. Papperet är syntetiserat i ett organiskt fritt medium vilket gör det miljövänligt. Papperet har antimikrobiella egenskaper eftersom det inte håller fukt så det gör det perfekt för kirurgiska tillämpningar. Detta papper kan bli ett stort genombrott för den pappersbaserade elektronikindustrin. Beständigheten mot vattenhaltiga och organiska lösningsmedel gör den till ett idealiskt val för att utveckla elektroniska sensorer och chips. Hudbaserad analytdetektion är nu möjlig utan att skada och kontinuerligt byta ut elektroderna eftersom detta papper kommer att vara immunt mot svett. Med sina oändliga tillämpningar kommer detta område av materialvetenskap säkerligen att bli mer utforskat.

En ny tillämpning av hydrofoba strukturer och material är utvecklingen av mikrobränslecellschips. Reaktioner inuti bränslecellen producerar avfallsgas CO ₂ som kan ventileras ut genom dessa hydrofoba membran. Membranet består av många mikrohåligheter som gör att gasen kan rinna ut, samtidigt som dess hydrofobicitetsegenskaper förhindrar att det flytande bränslet läcker igenom. Mer bränsle strömmar in för att ersätta den volym som tidigare hållits av avgasen, och reaktionen tillåts fortsätta.

En välkänd tillämpning av ultrahydrofoba ytor är på värmeväxlare, där de kan förbättra droppavgivningen och till och med orsaka kondensering av hoppande droppar, med potential för kraftverk, uppvärmning och luftkonditionering och avsaltning . Oxider av sällsynta jordartsmetaller, som visar sig uppvisa i sig hydrofoba ytor, erbjuder ett alternativ till ytbeläggningar, vilket möjliggör utveckling av termiskt stabila hydrofoba ytor för värmeväxlare som arbetar vid hög temperatur. Ultrahydrofoba avsaltningsmembran för membrandestillation har också tillverkats för förbättrad nedsmutsningsbeständighet , som kan tillverkas effektivt med kemisk ångavsättning .

Det har också föreslagits att de superhydrofoba ytorna också kan stöta bort is eller förhindra isansamling som leder till fenomenet isfobicitet . Men inte varje superhydrofob yta är isfob och tillvägagångssättet är fortfarande under utveckling. I synnerhet är frostbildningen över hela ytan oundviklig som ett resultat av oönskad frysvågsutbredning mellan dropparna som initieras av provkanterna. Dessutom resulterar frostbildningen direkt i en ökad frostvidhäftning, vilket innebär stora utmaningar för den efterföljande avfrostningen. Genom att skapa en hierarkisk yta kan utbredningen av frysvågen mellan dropparna undertryckas medan is/frostavlägsnandet kan främjas. De förbättrade prestandorna beror främst på aktiveringen av mikroskalans kanteffekt i den hierarkiska ytan, vilket ökar energibarriären för isbryggning samt skapar vätskesmörjning under avisnings-/avfrostningsprocessen.

Förpackningens förmåga att helt tömma en trögflytande vätska är något beroende av ytenergin hos behållarens innerväggar. Användningen av superhydrofoba ytor är användbar men kan förbättras ytterligare genom att använda nya smörjmedelsimpregnerade ytor.

Se även

• Hydrofob
• Hydrofobicitetsskalor
• Superhydrofob beläggning
• Lotus effekt
• Kontaktvinkelmätare

externa länkar

• Vad är superhydrofoba ytor?
• Shirtcliffe, Neil (1 april 2008). "Superhydrofoba ämnen" . Provrör . Brady Haran för University of Nottingham .
• Kontaktvinkelmätningar på superhydrofoba ytor i praktiken