Поверхности с наноразмерными текстурами различной формы могут давать улучшенные материалы для применения в транспорте, энергетике и диагностике.
Когда дело доходит до создания чрезвычайно водоотталкивающих поверхностей, форма и размер имеют значение. К такому выводу пришла группа ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, которые исследовали влияние наноразмерных текстур различной формы на способность материала заставлять капли воды скатываться, не смачивая его поверхность. Эти результаты и методы, используемые для изготовления таких материалов, опубликованные в Интернете 21 октября 2013 года в журнале Advanced Materials, очень актуальны для широкого спектра приложений, где важна водонепроницаемость, включая производство электроэнергии и транспорт..
«Идея о том, что микроскопические текстуры могут придавать материалу водоотталкивающие свойства, берет свое начало в природе», - объяснил физик из Брукхейвена и ведущий автор Антонио Чекко. «Например, листья лотоса и экзоскелеты некоторых насекомых имеют крошечную текстуру, предназначенную для отталкивания воды за счет захвата воздуха. Это свойство, называемое «супергидрофобностью» (или супер-ненавидящее воду), позволяет каплям воды легко скатывать., унося с собой частицы грязи."
Имитация этого природного механизма самоочищения актуальна для широкого спектра применений, таких как необрастающие, антиобледенительные и антибактериальные покрытия. Однако инженерные супергидрофобные поверхности часто выходят из строя в условиях, связанных с высокой температурой, давлением и влажностью, например, автомобильные и авиационные лобовые стекла и генераторы с паровыми турбинами, когда воздух, попавший в текстуру, может выйти наружу. Поэтому ученые искали способы повышения прочности этих поверхностей за счет задержки или предотвращения утечки воздуха.
Создание наноразмерных текстур
В принципе, высокая надежность, необходимая для нескольких приложений, может быть достигнута с текстурой размером всего 10 нанометров (миллиардных долей метра), потому что давление, необходимое жидкости для проникновения в текстуру и вытеснения воздуха, резко возрастает. с уменьшением размера текстуры», - объяснил Чекко. «Но на практике трудно уменьшить элементы текстуры поверхности, сохраняя при этом контроль над их формой».
Для этой работы мы разработали подход к изготовлению, основанный на самосборке наноструктур, который позволяет нам точно контролировать геометрию текстуры поверхности на такой большой площади, как мы хотим - в принципе, даже на таких больших, как квадратные метры., - сказал Чекко.
Процедура создания этих супергидрофобных наноструктурированных поверхностей, разработанная в сотрудничестве с учеными из Брукхейвенского центра функциональных наноматериалов (CFN), использует тенденцию «блок-сополимерных» материалов к спонтанной самоорганизации посредством механизма, известного как микрофазное разделение. Процесс самосборки приводит к получению тонких полимерных пленок с очень однородными регулируемыми размерами 20 нанометров или меньше. Команда использовала эти наноструктурированные полимерные пленки в качестве шаблонов для создания нанотекстурированных поверхностей, комбинируя их с методами обработки тонких пленок, которые чаще используются при изготовлении электронных устройств, например, путем выборочного вытравливания частей поверхности для создания текстурированных рисунков.
«Этот новый подход использует наши методы обработки тонких пленок, чтобы точно адаптировать геометрию нанотекстуры поверхности за счет контроля условий обработки», - сказал физик из Брукхейвена и соавтор Чарльз Блэк.
Эффект формы
Ученые создали и протестировали новые материалы с различными наноразмерными текстурами, некоторые из которых украшены крошечными цилиндрическими столбиками с прямыми сторонами, а некоторые - конусами с угловатыми сторонами. Они также смогли контролировать расстояние между этими наноразмерными элементами, чтобы добиться надежной водоотталкивающей способности.
После покрытия тестовых материалов тонкой пленкой воскоподобного материала ученые измерили, как капли воды скатываются с каждой поверхности, когда их наклоняют из вертикального положения в горизонтальное, и сравнили поведение с поведением нетекстурированных твердых тел.
«Хотя мы изготовили несколько различных нанотекстур, которые значительно повысили водоотталкивающие свойства, некоторые формы работали не так, как другие», - сказал физик из Брукхейвена и соавтор Атикур Рахман. Повышенная водоотталкивающая способность согласовывалась с более ранними исследованиями, включая предыдущее, проведенное Чекко и его сотрудниками, которые показали, что пузырьки воздуха, попавшие в текстурированные поверхности, заставляют воду собираться в капли. Тем не менее, в текущем исследовании команда также показала, что конусообразные наноструктуры значительно лучше, чем цилиндрические столбы, заставляют капли воды скатываться с поверхности, тем самым сохраняя поверхности сухими..
В случае цилиндрических столбиков, по мере удаления линии контакта капли на текстурированной поверхности, она может прикрепиться к нанотекстуре, оставляя после себя микроскопический слой жидкости на плоских вершинах столбиков вместо идеально сухой субстрат», - сказал Чекко.«Конусообразные структуры имеют меньшие заостренные вершины, что, вероятно, предотвращает этот эффект».
Другим важным открытием было то, что водоотталкивающая способность конусообразного нанотекстурирования сохранялась, даже когда капли воды распылялись на поверхность с помощью шприца, создающего давление. Такое давление потенциально может заставить воду проникать в наноразмерные выемки между коническими или цилиндрическими столбиками, вытесняя пузырьки воздуха и разрушая водоотталкивающий эффект.
Ученые наблюдали за разбрызгиванием капель с помощью высокоскоростной камеры, способной снимать 30 000 кадров в секунду. Что касается поверхности с конической текстурой, «распыляемые капли разбрызгиваются и выбрасывают сателлитные капли, которые распространяются радиально наружу, в то время как самая центральная часть исходной капли выравнивается, затем отскакивает и отскакивает от поверхности», - сказал Чекко. «Мы не наблюдаем каких-либо приколотых капель в месте удара после того, как капля отскочила назад, что указывает на то, что поверхность остается водоотталкивающей при ударе со скоростью до 10 метров в секунду, что превышает скорость падающей капли дождя."
Высокоскоростное видео капель, отскакивающих от поверхности, текстурированной наноконусами:
Следующие шаги
Команда работает над распространением этой техники на другие материалы, включая стекло и пластик, а также на изготовление поверхностей, которые также являются маслоотталкивающими, путем дальнейшей настройки формы элемента.
Они также изучают устойчивость различных нанотекстур к проникновению воды с помощью интенсивных рентгеновских лучей, доступных в Национальном источнике синхротронного света в Брукхейвене (NSLS). «Цель состоит в том, чтобы количественно понять, как принудительная инфильтрация жидкости зависит от размера и геометрии текстуры. Это поможет разработать еще более эластичные супергидрофобные покрытия», - сказал Чекко.
Техника наноструктуры, используемая в этом исследовании, также позволяет создавать широкий спектр материалов с разной текстурой и, следовательно, с разными водоотталкивающими свойствами на разных участках одной поверхности. Этот подход можно использовать, например, для изготовления наноразмерных каналов с самоочищающимися свойствами и низким трением жидкости для диагностических приложений, таких как обнаружение присутствия ДНК, белков или биотоксинов..
«Этот результат является прекрасным примером того типа проекта, который может быть реализован совместно с Наноисследовательскими центрами Министерства энергетики США», - сказал Блэк. «Ранее мы занимались подобными структурами для совершенно другой научной цели. Мы рады работать с Антонио через пользовательскую программу CFN, чтобы помочь ему достичь своих исследовательских целей».