Супергидрофобные покрытия обладают рядом специфических свойств: Угол смачивания капли воды на такой поверхности превышает 150°. Угол скатывания, то есть угол наклона поверхности, при котором капля диаметром 2-3 мм начинает двигаться, не превосходит десяти градусов. Применение таких покрытий на текстильных материалах и обуви обеспечивает эффект самоочистки от капель воды. Нанесение на стекло позволяет эффективно решать проблему загрязнений на стеклянных поверхностях и фасадах зданий. Обработка бумаги супергидрофобным покрытием придает ей водоотталкивающие свойства, минимизируя негативное воздействие влажной среды. Предложенная технология основана на формировании методом электронно-лучевого диспергирования гидрофобных покрытий на основе политетрафторэтилена, парафина или кремнийорганической смолы на различных материалах. Полученные покрытия характеризуются углом смачивания в диапазоне от 120° до 160°.
За последнее десятилетие супергидрофобные поверхности с их новыми функциональными и структурными свойствами вызвали большой интерес как в научно–исследовательской среде, так и в промышленности благодаря их потенциальному применению в нескольких областях, включая антикоррозийную защиту, разделение воды и масла, защиту от обледенения и, прежде всего, самоочищение.
Супергидрофобные покрытия, которые отталкивают жидкость путем захвата воздуха внутри микроскопических поверхностных карманов, как правило, теряют свои свойства при повышенном давлении, когда жидкость насильно проникает в эти карманы. В ходе данной работы были изготовлены супергидрофобные поверхности, которые могут выдерживать давление в 10 раз больше, чем атмосферное. Такие поверхности противостоят проникновению жидкости в наноразмерные карманы.
Супергидрофобные покрытия отталкивают жидкость путем захвата воздуха внутри микроскопических поверхностных текстур. Уровень повышенных нагрузок, который могут выдерживать нанотекстурированные, супергидрофобные покрытия в большей степени определяется геометрией текстурирования. После тщательного изучения наноразмерной геометрии удалось добиться существенных успехов в долговечности и возможности применения таких структур для солнечных панелей, самовосстанавливающихся покрытий и систем анти-обледенения. Тем не менее, полученные композитные поверхности склонны разрушаться под внешним давлением. Большей устойчивости покрытий должны способствовать геометрия и наноуровневые эффекты поверхностных наноструктур.
В ходе данного исследования с помощью дифракции рентгеновских лучей было изучено поведение под давлением супергидрофобных поверхностей кремния с нанотекстурами размерами ≈ 20 нм цилиндрической, конической и линейной формы.
Исследование показало, что предел супергидрофобных свойств достигается, когда давление жидкости поднимается выше критического значения, которое зависит от формы и размера текстур. Это проникновение численно моделируется с учетом реальной геометрии текстуры и макроскопической капиллярной теории. Еще один важный вывод, что проникновение жидкости является необратимым для всех текстур поверхности, кроме конической.
(Вверху слева) Текстуры конической формы и (внизу слева) цилиндрические наноструктуры, которые создают супергидрофобные поверхности. Воздушные карманы между структурами порождают гидрофобные свойства. (Вверху справа) Высокоскоростные фотографии падающей капли воды на поверхности наноструктурированного покрытия до (вверху), во время (среднее) и после удара (внизу). Credit: Image courtesy of Charles Black, Antonio Checco, and Atikur Rahman
Приведенные результаты важны для понимания и проектирования наноразмерных многофазных систем (жидкость/газ), в том числе более эффективных супергидрофобных покрытий.
Взвесь наночастиц оксида алюминия в воде удалось заморозить в виде тончайшей пленки, состоящей из цилиндров
Китайские физики заморозили капли воды и суспензии наночастиц оксида алюминия на супергидрофобной поверхности из нано/микро-структурированного оксида меди. В ходе эксперимента ученые следили за распределением температур и формой капель: капли воды замерзли с острым кончиком на вершине, тогда как наносуспензия замерзла в форме цилиндра. Авторы предполагают, что все дело во втором потоке тепла в капле, который увеличивает горизонтальное расширение на вершине капли.
Xiaoyang Li et al. / Langmuir
Статья опубликована в журнале Langmuir. Маленькие капли воды замерзают на холодных поверхностях — это начальная стадия образования инея, который мешает эффективно обмениваться теплом, например, в холодильниках. Чтобы с этим бороться, инженеры разрабатывают сложные поверхности, мешающие появлению зародышей льда или снижающие адгезию инея к поверхности. Но к этому процессу подходят и с теоретической точки зрения: ученые моделировали процессы заморозки капли на переохлажденной поверхности и обнаружили, что она кристаллизуется с образованием острой вершины.
Синтез супергидрофобной поверхности оксида меди. Xiaoyang Li et al. / Langmuir
Это происходит благодаря тому, что плотность жидкости выше плотности твердого тела (такие процессы наблюдаются для веществ с отрицательным коэффициентом термического расширения).
В последнее время в качестве среды для переноса тепла начали использовать жидкости с диспергированными наночастицами. Китайские ученые проверили, как такие капли замерзают на гидрофильных поверхностях, которые, к слову, ухудшают теплоперенос и чувствительны к образованию наледи, — оказалось, что вместо острого кончика на вершине капли получается плоская площадка, площадь которой увеличивалась с концентрацией суспензированных наночастиц. И хотя коллоидные растворы наночастиц считаются перспективной теплообменной средой, с образованием наледи вопрос еще не решен.
Сяоян Ли (Xiaoyang Li) с коллегами из Нанкинского университета науки и технологий решили проверить процесс замерзания суспензии наночастиц оксида алюминия на супергидрофобной поверхности из нано/микро-структурированного оксида меди. Для изготовления поверхности они использовали медную фольгу, которую подвергли лазерной абляции, химическому травлению в щелочном растворе и покрыли слоем фторсилана (1H,1H,2H,2H-перфлюорооктил-трихлорисилана). А чтобы получить суспензию наночастиц оксида алюминия, в которую обычно добавляют поверхностно активные вещества, физики диспергировали уже готовые наночастицы с помощью ультразвука без добавления ПАВов, чтобы не повлиять на супергидрофобные условия поверхности.
Внешний вид поверхности со сканирующего электронного микроскопа. Xiaoyang Li et al. / Langmuir
Получившиеся супергидрофобные поверхности выглядят как массив столбиков с высотой в 220 микрометров с одинаковыми промежутками между ними (в ходе эксперимента ученые выбрали межстолбиковые расстояния в 100, 125 и 150 микрометров). При комнатной температуре краевой угол смачивания капель воды и наносуспензии был равен 150 градусам, что вполне характеризует поверхность как супергидрофобную.
Для наблюдения за замерзанием капель наносуспензии ученые помещали каплю объемом в пять микролитров на поверхность с температурой в −5 градусов по Цельсию. Затем процесс снимался на камеры с частотой 60 кадров в секунду, а температура капли измерялась с помощью инфракрасной камеры. При попадании капли на поверхность она моментально начинала охлаждаться, пока не достигала достаточного для нуклеации переохлаждения. При отвердении жидкости выделилась скрытая теплота фазового перехода, что вызывало достаточно значительное повышение температуры до 0,8 градуса по Цельсию, однако на процесс обледенения это не повлияло.
Через 1116 секунд после контакта с поверхностью капля полностью замерзла в форме деформированного цилиндра, при этом на верхней поверхности образовалось кофейное пятно, а сама капля стала более прозрачной, чем была до контакта. Эти факты натолкнули ученых на мысль о том, что в процессе заморозки наночастицы перераспределяются и перемещаются к верхушке капли, оставляя замерзать чистую воду.
Чтобы оценить, как распределяются потоки тепла внутри капли, физики промоделировали с помощью метода конечных элементов процесс взаимодействия жидкость-газ-твердое тело с учетом конвекции Марангони и теплообмен через поверхность раздела фаз жидкое-газ. Теплопроводность наносуспензии была в 1,1 раза больше теплопроводности чистой воды (0,64 мегаватта на метр квадратный на кельвин). Поток тепла начался с центральной оси, через 0,4 секунды благодаря эффекту Марангони появился циркулирующий поток в полусфере, еще через 0,4 секунды появился второй циркулирующий поток, затем потоки вновь объединились к 1,2 секунды (при этом повысился уровень замерзшей жидкости), а к 1,8 секунде снова появилось два потока. Как раз образование двух циркулирующих потоков и приводит к плоской форме фронта заморозки, что и делает замерзшую каплю цилиндрической.
Распределение температур при заморозке капли наносуспензии. Xiaoyang Li et al. / Langmuir
Моделирование потоков тепла в капле наносуспензии. Xiaoyang Li et al. / Langmuir
Образование тонкого кончика в замерзшей капле воды и плато в замерзшей капле наносуспензии проявилось при всех концентрациях наночастиц и при всех видах супергидрофобных поверхностей. В зависимости от концентрации частиц ученые вновь видели разную площадь плато. По мнению ученых использование таких нано/микро-структурированных поверхностей оксида меди увеличивает практически вдвое время замерзания капли, однако добавление наночастиц наоборот снижает его, зато образующаяся цилиндрическая наледь оказывается меньше по толщине, что так же помогает снизить теплопотери в теплоотводящих системах.
Капли с разной концентрацией наночастиц на неструктурированной подложке оксида меди. Xiaoyang Li et al. / Langmuir
Капли с разной концентрацией наночастиц на оксиде меди с расстоянием между столбиками в 100 микрометров. Xiaoyang Li et al. / Langmuir
Капли с разной концентрацией наночастиц на оксиде меди с расстоянием между столбиками в 125 микрометров. Xiaoyang Li et al. / Langmuir
Супергидрофобные материалы не смачиваются водой, что давно использует природа, например, в лотосах или крыльях бабочек. А год назад японские ученые, вдохновившись кожей рыбы-ежа, сделали супергидрофобное покрыие достаточно прочным и эластичным, что позволит использовать такой эффект в быту еще эффективнее.
Супергидрофобные поверхности научили эффективно кипятить воду
T. P. Allred et al./ Physical Review Letters
Супергидрофобные поверхности имеют две главных особенности: во-первых они очень шероховатые, а во-вторых сделаны из гидрофобного материала. Благодаря сочетанию этих свойств при контакте с водой на межфазной границе могут «застревать» пузырьки газа, что в частности, приводит к увеличению угла смачивания. В зависимости от формы шероховатостей и материала, из которого эта супергидрофобная поверхность состоит, она может находиться в двух состояниях: в состоянии Касси, в котором углубления на поверхности заполнены жидкостью, или в состоянии Венцеля, когда газовый слой на межфазной границе становится неустойчивым и все углубления заполняются жидкостью. Оба этих состояния можно наблюдать, и если положить водную каплю сверху на поверхность, и если всю поверхность целиком поместить под воду.
Из-за того, что по супергидрофобным поверхностям вода движется быстрее, чем по гладким гидрофильным поверхностям, их нередко предлагают использовать для эффективного отвода тепла. Однако при закипании воды между поверхностью и водой формируется непрерывная газовая пленка, которая значительно снижает эффективность теплопереноса. Американские физики из Университет Пердью под руководством Суреша Гаримеллы (Suresh Garimella) решили проверить, можно ли супергидрофобные поверхности хотя бы в одном из возможных состояний использовать для эффективной передачи тепла. Для этого ученые рассмотрели два типа поверхностей: первая была сделана с помощью лазерного травления из меди, и характерный размер углублений на ней составлял единицы или десятки микрометров, а вторую — получили с помощью химического травления из оксида меди, и она состояла из отдельных нитей нанометрового размера с порами между ними.
Микрофотографии супергидрофобных поверхностей с микротекстурой (сверху) и нанотекстурой (снизу). T. P. Allred et al./ Physical Review Letters
В каждом из случаев выступы и углубления на поверхности становились центрами нуклеации газовых пузырьков, но из-за различного начального состояния механизмы роста и отрыва пузырьков пара для разных состояний поверхности отличались. При этом оказалось, что от размера текстуры механизм роста газовых пузырьков практически не зависит (хотя, например, на краевой угол этот параметр влияет сильно), а определяется начальным состоянием смачивания. Так, для поверхности, изначально находящейся в состоянии Касси, практически сразу происходит образование газового слоя, что резко снижает эффективность передачи тепла от поверхности к жидкости.
Два различных механизма кипения: в случае состояния Касси (слева) поверхность очень быстро покрывается непрерывной газовой пленкой, что приводит к снижению эффективности переноса тепла; в случае же состояния Венцеля (справа) пузырьки газа жестко закреплены на поверхности, и эффективность кипения не снижается. T. P. Allred et al./ Physical Review Letters
Два различных механизма кипения: в случае состояния Касси (слева) поверхность очень быстро покрывается непрерывной газовой пленкой, что приводит к снижению эффективности переноса тепла; в случае же состояния Венцеля (справа) пузырьки газа жестко закреплены на поверхности, и эффективность кипения не снижается. T. P. Allred et al./ Physical Review Letters
Если в случае состояния Касси критический поток тепла составил примерно 2,1 ватт на квадратный сантиметр, то для супергидрофобной поверхности, изначально находящейся в состоянии Венцеля, эта величина поднималась сразу до 115 ватт на квадратный сантиметр, что очень близко к теоретическому пределу для гидрофильных поверхностей. Такое высокое значение ученые объяснили механизмом движения краевой линии, которая в состоянии Касси относительно свободно двигается вдоль поверхности, а в состоянии Венцеля — жестко закреплена на выступах текстуры. При этом, в отличие от гидрофильной поверхности, в состоянии Венцеля из-за шероховатости значительно больше центров нуклеации газовых пузырьков, что приводит к меньшему перегреву твердой поверхности.
Механизм движения краевой линии во время кипения и фотографии растущего газового пузырька в состоянии Касси (сверху) и состоянии Венцеля (снизу) . T. P. Allred et al./ Physical Review Letters
Супергидрофобные поверхности нередко предлагают использовать для процессов, связанных с охлаждением и переносом тепла. Например, американские инженеры разработали систему пассивного охлаждения электроники, которая отводит тепло от горячих зон за счет подпрыгивания капель на супергидрофобной поверхности при их слиянии.
Искусственный аналог кожи морского ежа
Японские ученые смогли создать искусственный аналог кожи морского ежа. Он состоит из звездообразны микроскопических частиц окиси цинка, покрытых слоем полидиметилсилоксана, что придает им особую упругость и повышенную гидрофобность.
Микрочастицы располагаются в своеобразном полимерном композите, отличающемся низко плотностью (0,1 г/см3). Большое расстояние между отдельными частицами оксида цинка защищает их от повреждения при деформациях и позволяет дольше сохранять уникальные свойства материала.
Было установлено, что оптимальное соотношение оксида цинка к полимеру 1:1. При других пропорциях свойства супергидрофобного вещества состава ухудшались. Исследования проводились в том числе помощью мощных потенциостатов-гальваностатов.
Метод получения
Процесс создания этого композита состоит из нескольких этапов:
- Получение игольчатых микрочастиц из обычного оксида цинка.
- Соединение их с полимером. Для получения суспензии частицы и полимер тщательно смешивают в течение 10 минут.
- Суспензия равномерно распределяется на бумаге с тефлоновым покрытием. Для полного высыхания требуется 5-7 дней.
Смесь можно наносить на разные поверхности. Исследователям удалось создать гидрофобный слой на стекле, резине, хлопке, различных металлах.
Особые свойства
Помимо высокой степени водооталкивания материал обладает рядом других уникальных качеств. В их число входят:
- Упругость. Обеспечивается высоким содержанием гибкого полимера, заметно повышает механические свойства.
- Термоустойчивость. Гибкость и другие качества не изменялись в широком диапазоне температур (от -30 до +110 С).
- Сохранение свойств. Материал оставался гидрофобным после заметной деформации, нанесения царапин, других повреждений.
Супергидрофобные вещества открывают большие перспективы в качестве защиты от обледенения, позволяют оптимизировать процессы передачи тепла в различных устройствах.
Авторы: Артем Моськин, Александр Дубов
Источник: https://nplus1.ru/
