Гидрофобные материалы: Гидрофобные материалы покрытия, состав

Гидрофобные материалы покрытия, состав

Вода является основой жизни. Она необходима каждому живому организму, существующему на Земле. Но в то же время, вода обладает и разрушительной силой. Не зря существует пословица, что «вода камень точит». И это действительно так, излишняя влажность способна нанести вред даже самым прочным конструкциям и материалам. В связи с этим, для обеспечения защиты предметов от намокания ученые химики изобрели специальное покрытие, способное отталкивать влагу. Покрытия, способные предотвратить намокание предметов, называются гидрофобными. Первое гидрофобное покрытие появилось в обиходе примерно 40 лет назад.

В настоящее время гидрофобные покрытия имеют огромную популярность. Абсолютно каждый человек сталкивается с использованием гидрофобных покрытий. Область их применения колоссально широка. Они применяются как для защиты обуви и различных гаджетов, так и для защиты строительных материалов, уже готовых построек, автомобилей и многого другого.

В зависимости от материала поверхности, а также от способа их нанесения все гидрофобные материалы подразделяются на:

1. Лаки. Ими обрабатываются, в основном, деревянные поверхности. Гидрофобные лаки предотвращают впитывания деревом влаги, и как следствие, не допускают его разбухания и гниения. Производятся в неокрашенном виде, другими словами – бесцветными. Благодаря гидрофобным лакам, деревянные поверхности становятся не только защищенными, но и приобретают привлекательный вид и блеск.
2. Пропитки. Очень популярными являются во время строительства стен зданий и дорожек на террасах. Эффективным водоотталкивающим средством выступают для различных пористых поверхностей.
3. Морилки. В основе данного гидрофобного покрытия лежит олифа. Такие морилки также отлично подойдут для защиты от влаги деревянных покрытий. Нанесение вещества происходит с помощью валика, кисти или же методом распыления.
4. Краски. Имеет наиболее широкую область применения, так как подходит для абсолютно любых типов поверхностей. Гидрофобные краски легко наносятся, у них отсутствует запах, а также они являются гигиеничными.
5. Жидкости, воски, аэрозоли. Такие покрытия предназначены для защиты обуви, стекол, мониторов компьютеров и экранов планшетов и телефонов. Они продаются во многих магазинах и не требуют специальных инструментов для их нанесения.

Однако, при покупке того или иного водоотталкивающего покрытия, следует помнить, что для каждого материала существует свое гидрофобное покрытие, состав которого адаптирован для нанесения на определенную поверхность. Нельзя, например, использовать гидрофобное покрытие для стекол, которое предназначено для защиты от влаги обуви, и наоборот.

Тем не менее, все гидрофобные покрытия, вне зависимости от своего состава, схожи по своим свойствам, которые направлены на защиту поверхности от влаги. К ним, в основном, относятся антиадгезионные свойства, абсолютная экологичность, способность образовывать на поверхности защитную пленку, предотвращающую впитывание влаги, запотевание (например, стекла), налипание грязи.

Автомобиль является тем транспортным средством, которое эксплуатируется при любых погодных условиях. А у некоторых владельцев, по причине отсутствия гаража, авто может даже зимовать на улице. В связи с этим, и сам кузов автомобиля, и многие детали подвергаются воздействию агрессивных сред, в том числе и влаге, которая является основным врагом железа и многих других декоративных элементов. А в комплексе с пылью и солью, которой так любят посыпать зимой дороги, влага является отличным средством, способным за считанные годы полностью привести в негодность лакокрасочное покрытие автомобильного кузова, что, в свою очередь, является причиной появления коррозии. Поэтому, транспортные средства очень нуждаются в хорошей защите. Линейка гидрофобных покрытий для автомобиля очень разнообразна. Она включает:

• силиконовые гидрофобные покрытия с ингибиторами коррозии;
• кремнийорганические твердые гидрофобные покрытия;
• восковые покрытия;
• тефлоновые покрытия;
• соли жирных кислот и другие вещества.

Гидрофобные покрытия обладают антиадгезионными свойствами, обеспечивая отталкивание с поверхности не только влаги, но и различного рода загрязнения. Структура водоотталкивающих покрытий позволяет им просачиваться на достаточную глубину в поры краски и лака, где происходит их кристаллизация. В результате этого на поверхности образуется невидимая тонкая силиконовая или кремниевая пленка, которая предотвращает появление нежелательных царапин и сколов краски на кузове авто. Благодаря применению таких покрытий можно значительно продлить срок службы и молодость своему любимому автомобилю.

Большинство таких покрытий для автомобиля имеют консистенцию, которая не требует специальных навыков и специального оборудования для их нанесения. Благодаря этому, абсолютно каждый человек может нанести гидрофобное покрытие своими руками на кузов автомобиля, соблюдая при этом инструкцию по применению покрытия, которая написана на упаковке.

Кроме того, на рынке существуют и более профессиональные гидрофобные покрытия для автомобиля, нанесение которых в домашних условиях невозможно, а требуют определенных знаний и техники. К таким покрытиям относятся:

1. Специальная защитная пленка, обладающая уникальным составом. После нанесения данного покрытия поверхность становится менее уязвима к различного рода механическим повреждениям, а также уже существующие царапины становятся менее заметными. Данная технология защиты кузова автомобиля является на сегодняшний день наиболее доступной среди всех остальных.
2. Покрытие, предназначенное для нанесения на полированную поверхность автомобиля. Данные покрытия имеют густую консистенцию, напоминающую гель. После нанесения таких покрытий образуется специальная пленка, обладающая эффектом «лотоса» — мелкие капли попадающей на кузов воды соединяются в крупные и вместе с грязью смываются с поверхности.
3. «Жидкое стекло». Данное покрытие способно не только соответствующим образом защитить поверхность, но и вернуть лакокрасочному покрытию автомобильного кузова первозданный блеск. Покрытие имеет принципиальное отличие от всех остальных гидрофобных покрытий, которое заключается в его составе. «Жидкое стекло» способно проникнуть достаточно глубоко в лакокрасочное покрытие кузова, тем самым усилив его молекулярную структуру. Кроме этого, покрытие очень прочное и долговечное.
4. Нанокерамика. Данное покрытие чем-то похоже на «жидкое стекло», поскольку также надежно и длительно способно сохранить в целостности и сохранности кузов автомобиля вместе с покраской. Предотвращает появление сколов и царапин. Также является устойчивым не только к воздействию агрессивной влажной среды, но и многим химическим веществам.

В настоящее время каждый владелец автомобиля может выбрать гидрофобное покрытие по своему вкусу. Каким бы оно не было, в любом случае, кузов и лакокрасочное покрытие будут защищены от воздействия влаги и загрязнения.

Гидрофобное покрытие. Что это такое и зачем нужно?

Содержание статьи

1. Вступление
2. Что такое гидрофобное покрытие?
3. Виды гидрофобных покрытий
4. Нанесение гидрофобного покрытия
5. Удаление средства
6. Самодельные аналоги

Вода, так необходимая для жизни, не только созидает и питает, но и обладает большой разрушительной силой. Капля, точащая камень, – это не столько афоризм, сколько истина: постоянное воздействие влаги (например, атмосферные осадки) способно навредить самым прочным конструкциям и превратить со временем в пыль любые материалы. Чтобы защитить поверхности от разрушительной силы воды, ученые разработали специальные составы, образующие гидрофобное покрытие.

Гидрофобное покрытие – это средство, которым обрабатывается какая-либо поверхность, чтобы сделать ее водонепроницаемой, то есть – защитить от воздействия влаги.

Свойства гидрофобных покрытий

Водоотталкивающее покрытие образует на поверхности, на которую наносится, тонкую защитную пленку, которая не дает воде проникать внутрь. За счет этого срок эксплуатации поверхности значительно увеличивается. Гидрофобные составы обладают такими свойствами:

• водонепроницаемостью;
• антикоррозийными характеристиками;
• повышенной морозостойкостью;
• стойкостью к появлению грибка, разрастанию других биологических организмов;
• антиадгезийными характеристиками – устойчивостью к загрязнениям неорганического и органического характера, к запотеванию;
• безвредностью для здоровья человека и состояния окружающей среды.

Принцип работы

При нанесении гидрофобного материала на объект капля воды, соприкасаясь с защищенной поверхностью, принимает близкую к шарообразной форму и скатывается, по пути захватывая все загрязнения. В результате объект очищается и защищается от промокания и, как следствие, – разрушения.

Применение современных гидрофобизаторов защищает от агрессивного воздействия окружающей среди и повышает конструкционную прочность материалов. В связи с этим водоотталкивающие средства широко используются в строительстве для обработки бетонных, каменных, деревянных поверхностей, штукатурки и других объектов, в быту – для защиты одежды и обуви. Гидрофобное покрытие играет большую роль в повышении эксплуатационных свойств автомобилей.

Прежде чем покупать гидрофобное средства, следует знать, что для каждого типа поверхности существует свое водоотталкивающее покрытие, адаптированное под особенности и физические свойства определенного материала.

• Пропитки. Используются для пористых материалов и применяются при возведении стен зданий, укладке садовых дорожек.
• Лаки. Применяются, в основном, для обработки покрытий из дерева для защиты от промокания и, как следствие, – разбухания и гниения. Лаки выпускаются бесцветными, при нанесении не только оказывают водозащитный эффект, но и придают изделию глянец и блеск.
• Морилки. Изготавливаются на основе олифы, используются для деревянных изделий для защиты от влаги и гниения. Наносятся кистью, валиком или распылителем.
• Краски (эмали и грунтовки). Один из наиболее распространенных видов влагозащитных средств. Водоотталкивающие краски универсальны (подходят для различных типов материалов, в том числе, дерева, металла, бетона), не имеют запаха, гигиеничны. Легко наносятся кистью или распылителем.
• Аэрозоли, восковые составы, гели, жидкости, пасты. Имеют широкий спектр применения в зависимости от характеристик. Такими составами обрабатывают обувь, кожу, экраны компьютеров, телефонов, стекла автомобилей. Средства легко наносятся без применения специальных инструментов.

Все виды средств имеют одно общее качество – защиту от влаги. Однако перед покупкой следует обратить внимание на сферу использования покрытия: например, тип, применяющийся для стройматериалов, не подойдет для обуви и наоборот.

Гидрофобное покрытие для автомобиля

Автомобиль, который используют при любых погодных условиях, а также часто и хранят под открытым небом, регулярно испытывает на себе воздействие агрессивных сред. Особенно это касается кузова и других металлических деталей. В соединении с грязью и солью, которой зимой посыпают дороги от обледенения, влага может очень быстро разрушить лакокрасочное покрытие кузова и привести к коррозии металла. Гидрофобное покрытие кузова спасает поверхность автомобиля от быстрого износа.

Линейка водоотталкивающих покрытий для машины разнообразна, она представлена несколькими видами составов, различающихся по технологии производства и защитного воздействия.

Консерванты – это средства, которые убирают микроцарапины лакокрасочного покрытия кузова или салона и придают такую гладкость поверхности, что вода быстро скатывается. Они могут быть органического и искусственного происхождения.

Среди консервантов выделяют:

• Воски. Составы на натуральной основе недорогие и безвредные для здоровья. Используются для полировки ЛКП и обработки элементов салона. Недостаток – кратковременность действия.
• Силиконовые средства с ингибиторами коррозии. Составы на искусственной основе, образующие на поверхности кузова защитную пленку. Прочные, износостойкие полимеры, некоторые обладают защитой не только от воды, но и ультрафиолета.
• Тефлоновые полимерные смеси. Это составы, устойчивые к воздействию влаги и царапинам, хорошо маскируют повреждения и придают машине глянец.
• Нано покрытия. Особенность инновационных покрытий – связь с ЛКП на молекулярном уровне, что делает их более прочными и устойчивыми к воздействию окружающей среды. Они легко наносятся и имеют хороший срок службы.
• Соли жирных кислот.
• Кремниевые покрытия. Одни из самых надежных и популярных гидрофобных средств, основой которых служат лаки и эмали, сохраняющие свойства даже после многочисленных посещений автомойки. Их отличают высокие водоотталкивающие и защитные свойства, но и стоимость кремниевых составов выше.

Отдельно стоит сказать о покрытии для стекол. «Антидождь» выпускается в виде полиролей, гелей и состоит из полимеров, силиконов, присадок и органических растворителей. После нанесения на стекло автомобиля состав создает на нем невидимую пленку, которая защищает от влаги и улучшает видимость в условиях дождя. Капли, быстро скатываясь по поверхности, не создают водяной пленки, затрудняющей обзор. Кроме того, составы обладают грязеотталкивающими свойствами, способствуют легкому удалению наледи и снега на стекле и уменьшают расход омывающей жидкости.

Нанесение водоотталкивающего покрытия зависит от особенностей его состава и формы. Общие рекомендации таковы.

1. Автомобиль тщательно очистить от всех загрязнений – помыть самостоятельно или воспользоваться автомойкой.
2. Обработать поверхности обезжиривающими составами до состояния сухости.
3. С помощью мягкой тряпки для авто покрыть стекла и кузов полирующим средством.
4. Обработать поверхности гидрофобным покрытием, следуя инструкции, прилагаемой к средству.
5. Повторно отполировать стекло или поверхность кузова мягкой тряпкой.
6. После нанесения покрытия несколько часов заводить машину не нужно. В течение 3-4 дней автомобиль не следует мыть.

Внимание! Для нанесения некоторых видов водоотталкивающего покрытия могут понадобиться специальные знания и/или инструменты. В таком случае лучше обратиться на СТО к профессионалам.

Если гидрофобное средство нанесено правильно по инструкции, удалять его не понадобится: по истечении срока эксплуатации покрытие само равномерно истирается. Однако может возникнуть такая необходимость, если первый раз обработка была некачественной или требуется сменить гидрофобизатор. В таком случае защитную пленку с машины снимают при помощи обычного этилового спирта или специального средства для снятия водоотталкивающих составов (они обычно продаются в магазинах, предлагающих покрытия) круговыми движениями. После удаления машину протирают мягкой салфеткой.

Если хочется сэкономить на автохимии, «антидождь» можно изготовить самостоятельно. Для этого нужно использовать уайт-спирит и обычную парафиновую свечу в пропорциях 1:20. Парафин измельчают и тщательно смешивают с растворителем до однородной массы. Полученной смесью обрабатывают поверхность кузова и/или стекла. После машину оставляют на время, пока уайт-спирит испарится. Затем натирают обработанную поверхность мягкими салфетками, не оставляющими ворс. Такой самодельный «антидождь» может продержаться на автомобиле до 2 месяцев.

Гидрофобные вещества Что это такое и для чего они используются?

16 мая 2022 года 26 мая 2021 года

Гидрофобные вещества , которые отталкивают воду, играют фундаментальную роль в разработке новых материалов с улучшенными свойствами. Доказательством этого является то, что в последнее десятилетие было проведено множество исследований, направленных на их изучение. В этой статье мы объясним, что такое гидрофобный материал и его промышленное применение.

Что такое гидрофобные вещества?

Гидрофобные материалы основаны на химической концепции гидрофобности , т.е. способности вещества отталкивать воду .

Гидрофобность — это термин, происходящий от греческого слова «гидро», что означает вода, и «фобос», что означает страх. Гидрофобные вещества состоят из неполярных молекул, которые отталкивают массы воды и притягивают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители.

Примерами этих молекул являются алканы, масла и жиры в целом.

Капли воды на гидрофобных поверхностях имеют характерную форму, называемую эффектом лотоса, после появления воды на листе лотоса.

Эти типы поверхностей встречаются в природе, например, крылья бабочек или перья уток, которые используются в качестве эталона для создания и инноваций гидрофобных материалов.

Чтобы понять поведение поверхности по отношению к воде, необходимо измерить ее краевой угол, что даст информацию об энергии взаимодействия между поверхностью и жидкостью. Гидрофобные вещества характеризуются краевым углом смачивания с водой более 90° . Однако существуют также супергидрофобных материалов, которые имеют углы больше 150º и поверхность которых сопротивляется смачиванию.

Применение и использование гидрофобных материалов

Когда масло или жиры смешиваются с водой, образуются два отдельных слоя, которые не смешиваются друг с другом, поскольку вода полярна, а жиры – нет. С этим явлением связаны некоторые из наиболее известных применений гидрофобных веществ.

Например, процессы удаления жиров из водных растворов, ликвидации разливов нефти и химического разделения полярных и неполярных элементов.

Однако гидрофобные вещества выполняют множество других важных промышленных функций. В этом отношении супергидрофобные покрытия используются во всем в автомобильной, коммерческой, аэрокосмической, альтернативной энергетике, строительстве, технологиях и даже для разработки новых материалов будущего.

Гидрофобные и супергидрофобные материалы могут быть разработаны с использованием многих производственных методов, таких как послойная сборка, лазерная обработка, погружение в раствор, методы золь-гель, химическое травление и метод Хаммерса.

Полезность этого свойства действительно значительна. Например, существует множество разнообразных гидрофобных покрытий, улучшающих характеристики и срок службы материалов .

Некоторые из промышленных применений гидрофобных материалов:

• Удаление масла из водных растворов.
• Удаление масла из водных растворов применяется для пластиков, керамики и сетки.
• Сильный эффект самоочистки и создание новых материалов путем модификации поверхности пластмасс , тепловых трубок, металлов, текстиля, стекла, красок и электронных компонентов.
• Улучшено антифризное поведение тепловых трубок .
• Функционирует как защитное покрытие от воды и пыли на электронных изделиях .
• Играет важную роль в очистке воды .
• Теплообмен приложений
• Улучшение функциональных возможностей биомедицинских устройств и др.

Преимущества и свойства гидрофобных веществ

Использование гидрофобности дает много преимуществ.

Гидрофобные материалы обычно представляют собой низкоэнергетические поверхностные материалы, которые устойчивы к смачиванию и обладают повышенной коррозионной стойкостью .

Эти вещества используются для улучшения инструментов обнаружения влаги и предотвращения загрязнения влагой обогревательных трубок и аналитических систем переноса проб. Например, мы можем использовать гидрофобные вещества в медицинских диагностических системах для улучшения разделения и коррозионной стойкости.

Аналогично гидрофобные поверхности применяют при производстве красок для их антибактериального действия , а также в рафинировании металлов , в грязеотталкивающих тканях или при производстве огнестойкой и водонепроницаемой одежды .

Кроме того, гидрофобные материалы из полимеров широко используются из-за их низкой стоимости и простоты приготовления.

Можно сделать вывод, что, учитывая успехи гидрофобности, в настоящее время проводится большое количество исследований, направленных на разработку новых супергидрофобных материалов, которые считаются одним из материалов будущего.

Вы хотите разработать инновационные материалы с улучшенными свойствами? Свяжитесь с Infinitia Research.

Супергидрофобные материалы природного происхождения | Feature

Химики, которые хотят создавать материалы, отталкивающие воду, но не содержащие фторуглеродов, черпают вдохновение в природе, Рэйчел Бразил находит

Химики ищут альтернативы фторорганическим соединениям для антипригарных покрытий. Тефлон, политетрафторэтилен, покрывает наши сковороды с 1940-х годов. Но с увеличением количества доказательств стойкости, биоаккумуляции и токсичности фторорганических соединений в окружающей среде начинается поиск новых антипригарных решений. Одним из мест, куда химики с завистью смотрят, является сама природа. Поверхность многих растений и животных отталкивает воду, а в некоторых случаях даже масло. Но химия этих поверхностей — не единственная хитрость природы — огромную роль играет сложное наноструктурирование. Использование этих конструкций теперь помогает химикам производить антипригарные покрытия следующего поколения.

Смачиваемость поверхности измеряется углом контакта капли жидкости с поверхностью. По сути, это измеряет, какая часть капли находится в контакте с поверхностью — чем больше угол, тем меньше контакт с поверхностью. В случае воды, когда этот угол превышает 150°, поверхность считается супергидрофобной и очень трудно смачиваемой.

Существует огромное количество веществ, которые можно использовать

Биолог Вильхем Бартлотт из Боннского университета в Германии за последние 30 лет совершил один из крупных прорывов в понимании супергидрофобности в биологии. Он предполагает, что супергидрофобность должна была развиться 450 миллионов лет назад, когда жизнь вышла на сушу и начала дышать посредством газообмена. «Мы изучили около 24 000 различных видов растений и животных, и многие из них являются супергидрофобными или, по крайней мере, имеют супергидрофобные части», — говорит он.

Многие выдавливают кристаллический восковой слой. Бартлотт говорит, что обычно это сложные смеси длинноцепочечных углеводородов (20–30 атомов углерода), которые могут быть алканами, кетонами, альдегидами, спиртами, жирными кислотами и сложными эфирами. ¹ Но не только химия снижает смачиваемость. «Существует огромное количество веществ, которые можно использовать, но они никогда не достигнут качества тефлонового покрытия», — объясняет Бартлотт. «Секрет жизни заключался в том, чтобы изобрести сложную, очень изощренную иерархическую структуру поверхности.» Поверхности образуют кристаллические структуры, такие как трубочки, пластинки или нити, но они покрывают другой текстурированный слой клеток или волосков, создавая два или три наложенных друг на друга уровня. «иерархическая скульптура» на микро- и нано-уровне. «Единственное, что запрещено, — это плоскость!» — говорит Бартлотт.

Липкая или скользкая

Функция шероховатой иерархической поверхности заключается в создании воздушных карманов. Капля воды находится поверх захваченного воздуха, и это резко уменьшает контакт между твердым телом и жидкостью, позволяя каплям образовывать почти идеальные сферы, которые легко скатываются. Одним из самых известных примеров такого поведения является лист лотоса, чья самоочищающаяся поверхность имеет краевой угол, приближающийся к 180°. Сканирующая зондовая микроскопия показывает, что листья покрыты бугорками размером 1–5 мкм, называемыми сосочками, под восковым кристаллическим верхним слоем. Это означает, что капли дождя будут скатываться вместе с любой поверхностной грязью.

Источник: © Science Photo Library

Лепестки роз имеют текстурированную поверхность, покрытую гидрофобным воском. Элементы имеют размер около 16 мкм, что означает, что они удерживают капли воды

Другой пример из биологии — лепесток розы. Его поверхность также гидрофобна, но ведет себя совсем по-другому. «Когда вы кладете каплю воды на лепесток розы, вы, должно быть, замечаете, что вода прилипает к поверхности, а не падает. Это липкая гидрофобность», — объясняет Айяппанпиллай Аджаягош, химик из Национального института междисциплинарных наук и технологий (NIIST) в Тируванантапураме, Индия. Аджаягош пытался имитировать поверхности листа лотоса и лепестка розы.

Как и лист лотоса, лепесток розы имеет гидрофобный восковой слой, покрывающий иерархически текстурированную поверхность, образованную наноскладками кутикулы и сосочками конической формы. Но разница заключается в размере этих структур — 16 мкм в диаметре по сравнению с 11 мкм у листа лотоса. Это означает, что вода способна проникать в структурированную поверхность, создавая большую поверхность раздела твердое тело-жидкость и, следовательно, липкость. Закрепление известно как состояние Вензеля, тогда как капли, скатывающиеся с листа лотоса, находятся в состоянии Кэсси-Бакстера, названном в честь ученых, которые определили эти различные явления смачивания.

Можно ли воспроизвести эти состояния химически? Аджаягош начал с глинозема — материала, который по своей природе гидрофильный. ² Его команда работала над ковалентно-органическими каркасами, классом кристаллических пористых полимеров, и поняла, что эти материалы могут самособираться в гидрофобные покрытия. Они покрыли поверхность оксида алюминия лигандом на основе азобензола (AzPBA), а затем покрыли ее ароматическим бис-альдегидом (BA) с двумя алкокси-цепями, что приблизило эффект воскового покрытия. Контактный угол достиг почти супергидрофобных 145°, а поверхность демонстрировала «липкое» поведение, похожее на лепесток розы.

Затем Аджаягош обрабатывал поверхность, покрытую AzPBA, ионами цинка перед нанесением слоя BA. Контактный угол новой поверхности увеличился до 165°, и поверхность стала скользкой, как лист лотоса. «Когда вы [добавляете] ионы цинка, он образует на поверхности [координационный] полимер — своего рода сеть, в которой есть [новая] наноархитектура», — говорит Аджаягош. Ионы цинка присоединяются к группам карбоновой кислоты AzPBA, и новая поверхность имеет пальцевидные выступы размером 1 мкм и шириной 200 нм. Этого достаточно, чтобы задержать воздух под каплей воды, размещенной на поверхности. Аджаягош говорит, что работа показала, что вполне возможно химически имитировать супергидрофобные состояния, встречающиеся в природе, путем создания различной морфологии поверхности. «Мы не используем никакой фторированной химии — это очень простая химия», — добавляет он.

Всеобъемлющая ногохвостка

В то время как природа относительно легко может освоить супергидрофобную поверхность, гораздо сложнее создать суперолеофобные поверхности, которые также могут противостоять маслам, и суперомнифобные поверхности, которые противостоят любым жидкостям. Химики обычно прибегают к фторсодержащим полимерам, но у природы нет такой возможности. Тем не менее, в природе есть несколько примеров омнифобных поверхностей, таких как коллембола или ногохвостка — небольшое бескрылое насекомое, обитающее в почве. «Животное подвергается воздействию сильно загрязненной [воды] поверхностно-активными веществами, поэтому она имеет низкое поверхностное натяжение и смачивает поверхность намного легче, чем [чистая] вода», — объясняет Карстен Вернер из Центра биоматериалов Макса Бергмана в Дрездене. , Германия. «На кожу воздействует трение частиц и механическая сила, поэтому было разработано решение, которое является гораздо более захватывающим шаблоном для копирования».

Источник: © Science Photo Library

Тело ногохвостки имеет иерархическую структуру и способно удерживать пузырьки воздуха для отталкивания воды иерархические слои. ³ Полученная структура образует нанополости (0,3–1 мкм), покрывающие все тело, но на поперечном сечении имеются характерные грибовидные выступы. «Эта особая структура поперечного сечения удерживает наноразмерные пузырьки воздуха в структуре, и это удержание газа предотвращает смачивание даже неполярных жидкостей», — говорит Вернер.

«Мы смогли создать структуры, которые действительно точно воспроизводят наноморфологию кожи, однако, конечно, ограничены довольно небольшими образцами», — говорит Вернер. Их копии были изготовлены путем прямого слепка кожи насекомых с использованием диакрилата полиэтиленгликоля. Они сделали две версии — одна с точным воспроизведением поверхности, другая без наноструктурных элементов. Они обнаружили, что необычные выступающие наноструктуры были ключом к созданию суперомнифобной поверхности — образцы, изготовленные без нее, имели краевые углы, близкие к нулю, а те, у которых — до 150°. ⁴

«Омнифобные свойства, которые мы наблюдали у этих животных, зависят только от наноморфологии поверхности, а не от химического состава материалов, которые мы используем — мы продемонстрировали, что можно достичь этого эффекта в совершенно разных типах материалов. , — говорит Вернер. Выступы, по-видимому, создают энергетический барьер, который не может быть преодолен даже жидкой фазой с низким поверхностным натяжением, такой как гексадекан (которая могла смачивать образец тефлона).

Werner стремится использовать эти поверхности в качестве антибактериальных покрытий, например, для защиты хирургических инструментов. «Морфология, которую мы заимствовали у ногохвостка, сама по себе весьма эффективна, и сейчас мы работаем над объединением этих структурированных поверхностей с покрытиями, содержащими антисептики». или керамика. В 2018 году команда из Южной Кореи объединила нанолитографию и метод образования складок, при котором части полимерной поверхности сжимались, чтобы изготовить искусственную поверхность ногохвостка с высокой репеллентностью, способную выдерживать экстремальные нагрузки. Они пришли к выводу, что их сфабрикованная система превосходит саму кожу насекомого.

Под водой

Источник: © Science Photo Library

Папоротник Salvinia molesta имеет невероятно сложную поверхность, что означает, что он может выжить под водой

Во многих случаях природа использовала супергидрофобность для растений и растений под водой в течение длительного времени. Одним из примеров является Salvinia molesta , чрезвычайно инвазивный папоротник, который может выживать под водой в течение нескольких недель, продолжая фотосинтез. «У него самая сложная поверхность, которую мы знаем у растений», — говорит Бартлотт. «Ни один ученый-материаловед в своем самом странном кошмаре не догадался бы о таком решении!» Его водоотталкивающая поверхность удерживает защитный воздушный слой через множество волосков в форме метелки (называемых трихомами), которые составляют поверхность. Кончики венчиков химически различны, они гидрофильны, и это прочно прикрепляет слой воды к поверхности с воздухом, находящимся под ним. Эффект закрепления удерживает воздушный слой размером до 3,5 мм под отрицательным давлением в небольших отдельных карманах.

Бартлотт и его коллеги из Университета Ростока в Германии изучают, как можно использовать синтетическую версию для покрытия корпуса корабля для уменьшения лобового сопротивления. Учитывая, что на судоходство приходится примерно 3% глобальных выбросов парниковых газов (1 миллиард тонн углекислого газа в год), сокращение выбросов может иметь значительные последствия. Barthlott не готова сообщить подробности своего нового материала, но другие начали создавать поверхности с аналогичным дизайном. Группа итальянских инженеров недавно использовала 3D-лазерную литографию и гидрофильный фоторезист на основе эпоксидной смолы, чтобы сформировать массив из волосков размером 7 мкм, имитирующих 9 волосков.0193 S. molesta лист. ⁵

Воздействие такого покрытия на подводное сопротивление может быть максимально увеличено за счет сочетания его с такими технологиями, как система воздушной смазки Mitsubishi, запатентованная в 2010 году. Здесь сжатый воздух образует микропузырьки. «Если у вас есть супергидрофобная поверхность, она будет притягивать [эти] пузырьки воздуха, как магнит, и удерживать их, так что это может быть идеальной комбинацией», — говорит Бартлотт. Он считает, что их нынешний прототип покрытия может снизить лобовое сопротивление до 30%.

Химический пластрон для отделения масла

Воздухозаборные поверхности также распространены у водных насекомых. Ряд крошечных волосков или бугорков, известных как щетинки или микротрихии, улавливают тонкий слой воздуха, который позволяет насекомому дышать под водой, по сути, действуя как внешние жабры. Эта особенность известна как пластрон. «В Техасе целые колонии огненных муравьев объединяются и образуют эти плавучие плоты с пластронами, удерживающими [воздух] между ними [для повышения их плавучести]», — говорит химик Сарбаджит Банерджи из Техасского университета A&M в США. Он воспроизвел этот принцип для создания суперомнифобных поверхностей.

Источник: © Hu and Mlot/Georgia Tech

Огненные муравьи могут собираться вместе, чтобы увеличить свою плавучесть – свойство, которое ученые надеются воспроизвести для очистки разливов нефти

Отталкивать нефть всегда сложнее, чем воду, объясняет Банерджи. «Все, что удерживает молекулы нефти вместе, — это лондонские дисперсионные силы, поэтому склонность нефтяных капель к растеканию намного выше». Углеводородные парафины, встречающиеся в природе, обычно легко смачиваются нефтью.

Чтобы спроектировать суперомнифобную поверхность со свойствами пластрона, Банерджи обратился к нанотетраподам из оксида цинка, нанесенным распылением на нержавеющую сталь. Эти четырехногие нанокристаллы образуются при быстром окислении цинковой фольги на воздухе. — Как ни ставь, а одна-две ноги на тебя надвигаются; вы не можете сформировать что-то плоское», — говорит Банерджи. Нанотетраподы прикрепляются к поверхности стали с помощью тетраэтилортосиликата, который создает связь из диоксида кремния. «Сеть четвероногих застряла там, и когда мы погружаем [поверхность] в воду, вы видите это мерцание, соответствующее пузырькам воздуха, которые оказались в ловушке», — объясняет он.

Но чтобы воспроизвести суперолефобную поверхность, Banerjee также функционализировала поверхность перфтороктановой фосфоновой кислотой (C ₈ H ₆ F ₁₃ O ₃ P). ⁶ Неполярный фторсодержащий монослой обеспечивает еще более низкую поверхностную энергию. «По сути, у нас есть выступающие наружу связи C–F, взаимодействующие с молекулами воды или масла, что дает нам олеофобность, а также гидрофобность, обусловленную как химическим составом, так и текстурой», — объясняет он. «Грубость действует, чтобы усилить внутреннюю химию».

Суперолеофобность этих материалов делает их идеальными для покрытия оборудования для хранения и транспортировки нефти, но компания Banerjee особенно заинтересована в их использовании для отделения вязких масел от воды. В настоящее время большие объемы сырой нефти извлекаются из пластов с помощью закачиваемого пара, но разделение полученной эмульсии затруднено и требует материалов, способных работать при температуре выше 130°C.

Компания Banerjee разработала совершенно новый процесс фильтрации на основе сетки из нержавеющей стали, покрытой нанотетраподами оксида цинка. «Сам по себе он довольно гидрофобный из-за слоя воздуха [на поверхности], но он также и олеофильный», — объясняет он. Сетчатая мембрана образует взаимосвязанную пористую пластронную сеть, пропускающую масло. Но он удерживает капли воды во взвешенном состоянии над воздушными карманами, образованными между выступающими нанотетраподами. Капли воды находятся в состоянии Кэсси-Бакстера, в отличие от капель масла, которые находятся в режиме Вензеля и проникают через сетку. Фильтр может снизить содержание воды в вязком масле до 0,69.% по объему. ⁷

Скользкий подход

Еще один инновационный подход к омнифобным поверхностям, не основанный на воздушном кармане, был разработан в лаборатории Джоанны Айзенберг в Гарвардском университете в Массачусетсе, США, и также черпает вдохновение из природы. Насекомоядное растение-кувшин захватывает свою добычу, используя скользкую, смазанную водой поверхность, которая отталкивает масла, содержащиеся на ногах насекомых. Сама смазка удерживается на месте неровной микротекстурированной поверхностью.

Источник: © Так-Синг Вонг и Джоанна Айзенберг. Синг Вонг, в настоящее время доцент Пенсильванского государственного университета в США, разработал поверхности, основанные на принципе растения-кувшина, называемые скользкими пористыми поверхностями, пропитанными жидкостью (Slips). «Вы начинаете с текстурированной или пористой поверхности, похожей на губку, а затем мы наносим смазочную жидкость, которая имеет сильное химическое сродство к основной текстурированной [поверхности], и с этой комбинацией Slips может отталкивать все, что не смешивается со смазкой». он говорит. «Если вы хотите отталкивать жидкость на масляной основе, вы можете разработать смазку либо на водной основе, либо использовать перфторированную жидкость, которая не смешивается с водной и масляной фазами. Основываясь на этих проектных критериях, вы можете исследовать все виды жидкостей в качестве смазочных материалов».

Смазка, обычно глубиной от 100 нм до нескольких микрометров, удерживается на месте за счет капиллярных сил, но она должна иметь высокое химическое сродство к основному материалу, иначе жидкость, которую вы хотите отталкивать, вытеснит ее. «В принципе, вы можете использовать любой материал, если найдете способ текстурировать его», — говорит Вонг. Он использовал пористые эпоксидные смолы диаметром 300 нм и нанопорами высотой 5 мкм. ⁸

Вонг исследовал, как смазанные поверхности могут быть полезны для сбора воды в тех частях мира, где ощущается нехватка воды. Он обнаружил, что гидрофобные шлипсы не обеспечивают наиболее эффективного способа сбора водяного пара или тумана, поскольку ограничивают зародышеобразование капель воды. И простое использование иерархической текстурированной поверхности привело к тому, что капли были закреплены, как с лепестком розы, а не скатывались для сбора. ⁹

Вместо этого он и его команда придумали решение, вдохновленное кувшином и рисом, которые они назвали скользкой шероховатой поверхностью (SRS). Чтобы предотвратить скопление воды, листья риса имеют иерархическую поверхность с определенными бороздками, образующими гофрированную структуру, которая заставляет капли воды скатываться в направлении, перпендикулярном этим бороздкам. Вонг и его команда создали кремниевые пластины с такой структурой. Поверхность с канавками сама по себе была модифицирована второй иерархической текстурой и покрыта силанами для повышения химического сродства со смазкой. Только эта самая внутренняя структура покрыта масляной смазкой на основе гидрофильного силикона размером 1 мкм.

«Теперь он может не только притягивать водяной пар или капли воды из воздуха, но, как только вода соприкасается с поверхностью, она может легко соскальзывать», — объясняет Вонг. Набор конкурирующих эффектов способствует тому, что поверхность отталкивает жидкости независимо от того, как они ее смачивают. Гидрофильная смазка помогает каплям воды зарождаться, а гребни рисовых листьев позволяют каплям скатываться. Вонг говорит, что текущий лабораторный тест показал, что система может собирать примерно 500 мг воды на см ² за час: «почти в 10 раз больше воды, чем обычный материал для сбора тумана», — добавляет он.

Природа вдохновила на разнообразные решения для создания супергидрофобных, а в некоторых случаях и суперолеофобных поверхностей из различных материалов. Эти решения исходят из сложных поверхностных структур в дополнение к химическому составу поверхности. Но достаточно ли этого, чтобы заменить фторированные полимеры, которые мы используем в настоящее время? Сетка Banerjee с покрытием из оксида цинка по-прежнему использует внешний фторированный слой для создания сверхомнифобного поведения. «Я не видел ничего, что работало бы так же хорошо, — признается он. «Мы действительно избегали использования [объемных] фторполимеров, вместо этого использовали по существу монослои». Вернер считает, что в будущем правильная наноморфология может заменить фторированные полимеры для создания более экологически чистых защитных поверхностей. Его синтетическая кожа ногохвостка способна превзойти такие поверхности. «На самом деле они отталкивают неполярные жидкости и сильно загрязненные водные растворы с очень низким поверхностным натяжением».0007

Но, наверное, еще не время совсем забывать о химии при разработке материалов. Далее, исследуя кожу ногохвостка, Вернер говорит, что структурированная кожа — это еще не все. «Оказывается, это, возможно, только первая линия защиты организмов от биоадгезии», — объясняет он. Химия поверхности и биология также играют роль. Богатый липидами внешний слой содержит органические соединения, которые, как известно, обеспечивают антибактериальные свойства за счет минимизации адгезии белков. ¹⁰ «У этого также есть что предложить нам для приложений биомимикрии», — предполагает Вернер.

Очевидно, нам еще есть чему поучиться у природы. «Я думаю, что мы просто взламываем поверхность», — соглашается Банерджи.

Рэйчел Бразил, научный писатель из Лондона, Великобритания. Транс. Р. Соц. A , 2016, 374 , 20160191 (DOI: 10.1098/rsta.2016.0191)

2 RD Mukhopadhyay, B Vedhanarayanan and A Ajayaghosh, Анжю. хим. Междунар. Эд. , 2017, 56 , 16018 (DOI: 10.1002/anie.201709463)

3 R Hensel, C Neinhuis and C Werner, Chem. соц. Rev. , 2016, 45 , 323 (doi: 10.1039/c5cs00438a)

4 R Hensel и др. , NPG Asia Materials , 2013, 5 , E37 (DOI: 10,1038.