Materia? superhydrofobowy jest materia?em odpychaj?cym wod?, a kropelki wody nie rozsuwaj? si? ?lizgowo na jego powierzchni, aby zachowa? kulisty kszta?t, osi?gaj?c w ten sposób efekt toczenia samoczyszczenia. Zwil?alno?? jest jedn? z wa?nych w?a?ciwo?ci powierzchni materia?ów sta?ych. Kluczowymi czynnikami determinuj?cymi w?a?ciwo?ci zwil?ania powierzchni materia?u s? sk?ad chemiczny powierzchni materia?u i mikroskopijna geometria powierzchni. Dlatego naukowcy maj? powierzchni? o statycznym k?cie kontaktu z wod? wi?kszym ni? 150 ° i k?cie toczenia mniejszym ni? 10 °, zwanym powierzchni? superhydrofobow?. Materia?y superhydrofobowe maj? na ogó? struktur? mikro-nano-kompozytow? i chemikalia o niskiej energii powierzchniowej, co jest równie? warunkiem wst?pnym stania si? materia?em superhydrofobowym. Ze wzgl?du na doskona?e w?a?ciwo?ci samooczyszczania, oddzielania oleju i wody, odporno?ci na korozj?, zapobiegania oblodzeniu i zaparowaniu, w ostatnich latach faworyci wybrali super-hydrofobowe powierzchnie, przyci?gaj?c du?? liczb? naukowców do inwestowania w badania materia?ów superhydrofobowych.

W rzeczywisto?ci ponad 2000 lat temu ludzie odkryli, ?e niektóre ro?liny rosn? w mule, ale jego li?cie s? prawie zawsze czyste, typowym przyk?adem jest li?? lotosu. Kwiaty lotosu zwykle rosn? na bagnach i p?ytkich wodach, ale maj? cechy ?szlamu, a nie barwienia”, co czyni kwiat lotosu symbolem czysto?ci od tysi?cy lat. Kurz i brud na li?ciu lotosu mog? by? ?atwo unoszone przez krople rosy i deszcz, utrzymuj?c powierzchni? w czysto?ci. Naukowcy nazywaj? to zjawisko sub-oczyszczania ?efektem lotosu”.

Jednak mechanizm dzia?ania li?cia lotosu, który zawsze by? utrzymywany w czysto?ci, nie by? znany do czasu rozwoju skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) w po?owie lat 60. XX wieku, a ludzie stopniowo odkrywali tajemnic? li?cia lotosu. W 1977 roku Barthlott i Neinhuis z Uniwersytetu w Bernie w Niemczech badali struktur? powierzchni li?ci lotosu za pomoc? skaningowej mikroskopii elektronowej (jak pokazano na rysunku 1). Okazuje si?, ?e mikronowa struktura wyrostka sutkowatego na powierzchni li?cia lotosu i substancja woskowa s? kluczem do jego funkcji samooczyszczania. Uwa?aj?, ?e powsta?y ?efekt li?cia” jest spowodowany po??czeniem materia?u o niskiej energii powierzchniowej, takiego jak substancja woskowa, i mikronowej chropowatej struktury procesu mlecznego.

Badania wykaza?y, ?e du?a liczba woskowych struktur mikroemulsyjnych wielko?ci mikrona rozmieszczonych jest na powierzchni li?cia lotosu (ryc. 1 (a)); du?a liczba drobno rozga??zionych struktur w nanoskali jest rozmieszczona na ka?dym sutku (ryc. 1 (b)); Ponadto na naskórku li?cia lotosu znajduje si? wiele woskowych, trójwymiarowych cienkich rurek (ryc. 1 (c)). Taka struktura mikro-nano-kompozytowa powoduje niski obszar kontaktu mi?dzy kropelkami wody a powierzchni? li?cia lotosu. Dlatego sk?adnik wosku powierzchniowego li?cia lotosu i struktura kompozytu mikro / nano wspó?pracuj? ze sob?, aby nada? li?ciowi lotosu wyj?tkow? superhydrofobowo?? i nisk? przyczepno??. K?t zwil?ania i k?t toczenia wody na li?ciu lotosu wynosz? odpowiednio oko?o 160 ° i 2 °. Kropelki wody s? prawie kuliste na powierzchni li?cia lotosu i mog? swobodnie toczy? si? we wszystkich kierunkach, jednocze?nie usuwaj?c kurz z powierzchni li?cia lotosu, wykazuj?c dobry efekt samooczyszczania (ryc. 1 (d)). Efekt lotosu, to znaczy samoczyszcz?ca powierzchnia, wykazuje siln? zdolno?? przeciwdzia?ania zanieczyszczeniom, gdy k?t zwil?ania wod? jest wi?kszy ni? 150 °, to znaczy zanieczyszczenia powierzchni, takie jak py?, mog? by? odprowadzane przez spadaj?ce krople wody bez pozostawiaj?c ?lady.

Ryc. 1 Obraz SEM powierzchni li?cia lotosu

Oprócz li?ci lotosu na ?wiecie istnieje wiele ro?lin i zwierz?t, które s? superhydrofobowe. Kropelki wody na li?ciach ry?u s? bardziej indywidualne ni? kropelki wody na powierzchni li?cia lotosu. W przeciwieństwie do kropelek wody na powierzchni li?cia lotosu, które mog? toczy? si? w dowolnym kierunku, kropelki wody na li?ciach ry?u z ?atwo?ci? tocz? si? zgodnie z kierunkiem wzrostu ?d?b?a, natomiast trudniej toczy? si? w kierunku pionowym . Dzieje si? tak, poniewa? li?cie ry?u maj? ukierunkowany liniowo uk?ad wypuk?o?ci i jednowymiarow? struktur? rowków (ryc. 2 (a)). W kierunku poziomym do wzrostu ?opatki k?t toczenia kropli wynosi 3° – 5°, a w kierunku pionowym k?t toczenia 9° – 15°. Liniowe u?o?enie struktury wyrostka sutkowatego na powierzchni li?cia ry?u zapewnia kropelkom ró?ne bariery energetyczne, które przenikaj? w obu kierunkach. Podobnie jak w przypadku skrzyde? motyla, gdy skrzyd?a motyla s? wachlowane, kropelki wody b?d? toczy? si? wzd?u? osi osi, tak ?e kropelki nie zwil?aj? cia?a motyla. Okazuje si?, ?e skrzyd?a motyla pokryte s? du?? liczb? mikro-nano ?usek zorientowanych wzd?u? osi osi (rys. 2(b)). Ta wysoce ukierunkowana struktura mikro-nano skutecznie wp?ywa na zwil?anie kropelek wody, dzi?ki czemu kropelki wody mog? ?atwo odtacza? si? w kierunku promieniowym, podczas gdy s? osadzane w przeciwnym kierunku. Dwa ró?ne stany mo?na regulowa? kontroluj?c postaw? trzepotania skrzyde? lub kierunek przep?ywu powietrza przez powierzchni? skrzyde?. Ta anizotropowa przyczepno?? umo?liwia kierunkowe czyszczenie skrzyde? motyla w wilgotnym ?rodowisku, zapewniaj?c stabilno?? podczas lotu i zapobiegaj?c gromadzeniu si? kurzu.

W przeciwieństwie do ma?ych kropelek wody na powierzchni li?cia lotosu, które mo?na ?atwo toczy?, ma?e krople wody na p?atkach ró? maj? tendencj? do przylegania do powierzchni. Poprzez mikroskopow? eksploracj? p?atków ró? naukowcy odkryli, ?e powierzchnia p?atków ró? sk?ada si? z wyrostków sutkowatych wielko?ci mikronów, podczas gdy na czubku wyrostka sutkowatego znajduje si? wiele z?o?onych struktur w nanoskali, a ta nanosfa?dowana struktura jest wynikiem o wysokiej przyczepno?ci p?atków ró?. Kluczowy czynnik (rysunek 2 (c)). W nanofa?dowanej strukturze mo?e wyst?powa? gaz, a woda mo?e ?atwo przenika? pomi?dzy mikrosutki. To samo co p?atki ró? to podeszwa gekona. Podeszwa gekona jest super hydrofobowa i samoczyszcz?ca, ale to, co ekscytuje naukowców, to fakt, ?e podeszwa gekona ma bardzo przyczepn? zdolno?? do swobodnego poruszania si? po g?adkiej powierzchni. Wynika to z dobrze u?o?onego mikronizowanego w?osia na powierzchni podeszwy gekona, które sk?ada si? z setek mniejszych końcówek w nanoskali (ryc. 2 (d)). Si?a Van der Waalsa generowana przez kontakt mi?dzy końcówkami nanoczujków w?osia gekona a tward? powierzchni? jest wsparciem dla gekona podczas czo?gania si? pod ró?nymi k?tami.

Oczy z?o?one z komarów s? u?o?one z ciasnymi sze?ciok?tnymi ma?ymi oczkami, a ciasny sze?ciok?tny wyst?p jest umieszczony na ka?dym ma?ym oku (ryc. 2 (e)). Ta unikalna struktura kompozytowa sprawia, ?e z?o?one oczy komarów s? niezwykle hydrofobowe. Gdy komar jest wystawiony na dzia?anie mglistego ?rodowiska, mo?na stwierdzi?, ?e bardzo ma?e kropelki nie tworz? si? na powierzchni oka komara, a du?a ilo?? kropelek kondensuje si? na puchu wokó? oka komara. Ta wyj?tkowo hydrofobowa natura zapobiega przywieraniu i aglomeracji kropelek na powierzchni oczu komara, zapewniaj?c mu wyra?ny widok. To odkrycie dostarcza inspiruj?cego pomys?u badawczego na opracowanie suchych, przeciwmgielnych materia?ów powierzchniowych.

Wydra mo?e ?atwo chodzi?, a nawet skaka? po wodzie. Sekret tkwi w pot??nej superhydrofobowo?ci ow?osionych nóg. Gdy wydra stoi na powierzchni wody, jej nogi tworz? wir o g??boko?ci oko?o 4 mm zamiast przek?uwa? powierzchni? wody. Ka?da noga ma siln? i trwa?? si?? superhydrofobow?, która mo?e wytrzyma? oko?o 15 razy wi?cej ni? jej waga. W tym samym czasie znaleziono tak?e specjaln? mikrostruktur? nogi pijawki i du?? liczb? zamówionych mikrostruktur podobnych do paska pokrywa?y nogi pijawki, te mikrostruktury by?y zorientowane pod k?tem oko?o 20 °, a ka?da struktura mikropasków Sk?ada si? ze spiralnego nano-rowka (ryc. 2 (f)). Ta unikalna wielowarstwowa wielowarstwowa struktura mikro-nano skutecznie wychwytuje gaz mi?dzy nog? pijawki a powierzchni? wody, tworz?c pot??ny film gazowy. Solidna, super hydrofobowa zdolno?? nóg wydry inspiruje do projektowania nowego sprz?tu wodnego.

Ryc. 2 Ró?na mikrostruktura ró?nych zwierz?t

Naturalne objawienie: od ?efektu lotosu” samooczyszczaj?cych si? powierzchni do konstrukcji superhydrofobowych powierzchni

Prawo ludzkie, prawo ziemi, niebo i prawo, prawo Tao jest naturalne. Badaj?c li?cie ro?lin o charakterze superhydrofobowym, mo?na wiedzie?, ?e przygotowanie powierzchni superhydrofobowych wymaga dwóch warunków: jednym z nich jest to, ?e powierzchnia materia?u ma bardzo nisk? energi? powierzchniow?; po drugie, powierzchnia sta?ego materia?u ma pewn? szorstko?? i ma mikron. I podwójna struktura nano.

Ze statycznego k?ta zwil?ania powierzchni sta?ej kluczem do ustalenia liofobowo?ci powierzchni sta?ej jest sk?ad chemiczny powierzchni materia?u, a chropowato?? powierzchni tylko wzmacnia ten efekt. Dlatego przy konstruowaniu superhydrofobowej sta?ej powierzchni zasadniczo chodzi o zbudowanie szorstkiej powierzchni na powierzchni o niskiej energii powierzchniowej lub zmodyfikowanie substancji o niskiej energii powierzchniowej na szorstkiej powierzchni. Najpierw ludzie zacz?li bada? przygotowanie materia?ów o niskiej energii powierzchniowej i odkryli, ?e materia?ami sta?ymi o najni?szej energii powierzchniowej s? siloksan i materia?y zawieraj?ce fluor. W?ród nich materia?y zawieraj?ce fluor s? najbardziej doskona?e, a ich energia powierzchniowa jest o oko?o 10 mN / m ni?sza ni? w przypadku siloksanu, a fluor jest najmniejszym promieniem atomowym wszystkich pierwiastków z wyj?tkiem wodoru. Ma siln? elektroujemno??, wysok? energi? wi?zania fluorow?glowego, nisk? energi? kohezji oraz wysok? stabilno?? termiczn? i stabilno?? chemiczn?. Ma cechy odporno?ci na ciep?o, odporno?? na warunki atmosferyczne, odporno?? chemiczn? i niski wspó?czynnik za?amania ?wiat?a. Gdy powierzchnia materia?u - grupy CF3 s? u?o?one w stos w ciasno upakowanych rz?dach sze?ciok?tów, powierzchnia sta?a ma najni?sze napi?cie powierzchniowe wynosz?ce 6,7 mJ / m2. Dlatego wi?kszo?? obecnie przygotowywanych materia?ów o niskiej energii powierzchniowej to g?ównie materia?y zawieraj?ce fluor. Ponadto ludzie zacz?li wypróbowywa? ró?ne metody kontrolowania struktury powierzchni w celu przygotowania pow?ok superhydrofobowych. Obecnie powszechnie stosuje si? metody samoorganizacji warstwa po warstwie, fizyczne lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej, metody trawienia, metody matrycowe, metody natryskiwania elektrostatycznego oraz metody zol-?el.

Mo?liwo?ci i wyzwania dla materia?ów superhydrofobowych: trwa?o?? i przezroczysto??

Chocia? materia?y superhydrofobowe maj? szerokie perspektywy zastosowania w prawdziwym ?yciu, nadal istnieje wiele trudno?ci w realizacji powszechnego zastosowania superhydrofobowo?ci w praktyce, a najwi?kszym wyzwaniem jest trwa?o?? i przejrzysto??. Hydrofobowa pow?oka ma s?ab? przyczepno?? do pod?o?a, a szorstka struktura jest równie? bardzo delikatna. Gdy powierzchnia jest poddawana dzia?aniu mechanicznym, takim jak uderzenie i tarcie, ?atwo ulega uszkodzeniu i traci w?a?ciwo?ci superhydrofobowe. Dlatego opracowanie superhydrofobowej pow?oki o stabilnej powierzchni przeciwciernej lub superhydrofobowej z funkcj? samonaprawy sta?o si? pilnym problemem w dziedzinie badań materia?ów superhydrofobowych. Ogólnie, aby uzyska? superhydrofobowo??, powierzchnia b?dzie mia?a pewn? szorstko??, a im wi?ksza szorstko??, tym wi?kszy wspó?czynnik za?amania ?wiat?a i ni?sza przezroczysto??. To znacznie ogranicza zastosowanie materia?ów superhydrofobowych do urz?dzeń optycznych.

Od natury do bioniki, materia?y superhydrofobowe zacz??y si? od li?cia lotosu i zosta?y opracowane do dzi?. Naukowcy nigdy nie przestali bada? natury. Wierz?, ?e w miar? pog??biania naszej eksploracji przyrody, nasze rozumienie przyrody nadal si? pog??bia, a pole superhydrofobowo?ci z pewno?ci? zrobi wi?kszy post?p.