Отдавая дань уважения одному из лучших в природе химиков-поверхностников - малоизвестному пустынному жуку - ученые-полимерщики из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали удобный способ создания испытательных поверхностей с переменным сродством к воде, так что одна и та же поверхность может варьироваться от супергидрофильной до супергидрофобной и всего промежуточного. Их метод, описанный в недавнем выпуске журнала Langmuir, может быть использован для быстрой оценки красок и других материалов, которые должны прилипать к поверхностям.
Команда NIST разработала гибкую методику, основанную на ультрафиолетовом свете и фоточувствительных материалах, чтобы имитировать одно из умнейших явлений природы в области химии поверхности. Жук Stenocara из африканской пустыни Намиб способен процветать в такой сухой среде обитания, что даже утренний туман не конденсируется. Все, что нужно сделать жуку, - это поднять свои бородавчатые надкрылья навстречу ветру.
Поскольку неровности являются гидрофильными или притягивающими воду, в то время как остальная поверхность является гидрофобной или водоотталкивающей, те немногие молекулы воды, которые все-таки ударяются о крышки крыльев, имеют тенденцию подниматься в гору и собираться на неровностях. - где они в конечном итоге конденсируются в искусственные капельки росы, которые скатываются в рот насекомому. Хитрость насекомого заключается в том, чтобы использовать как структуру поверхности, так и химию, чтобы создать поверхность, которая быстро переходит от гидрофобной к гидрофильной.
Исследователи NIST начинают с покрытия поверхности матрицей из гранул кремнезема размером около 11 нанометров. Как и у жука, чьи покровы крыльев покрыты органическими частицами примерно в тысячу раз больше, расстояние между матриксом обеспечивает первый, чисто физический уровень контроля над смачиваемостью: капля воды, помещенная на гранулы, может провиснуть лишь до определенного предела. зазоры до того, как он будет остановлен поверхностным натяжением.
Затем исследователи добавляют второй уровень контроля, покрывая гранулы соединением, которое изменяет их сродство к воде, во многом таким же образом, как воскообразное вещество делает некоторые микрочастицы жука гидрофобными. Этот шаг сам по себе не уникален; другие исследовательские группы добавляли такие соединения к гранулированным поверхностям с помощью электрохимических методов.
Инновация группы NIST заключается в использовании оптической техники, которую гораздо легче модулировать и которую можно проводить в воздухе. Они просто покрывают гранулы светочувствительным материалом и подвергают их воздействию ультрафиолетового света: чем дольше и интенсивнее экспозиция на данном участке, тем более гидрофильным становится этот участок.
Самое непосредственное применение новой методики - тестирование красок, клеев и других покрытий: вместо того, чтобы наносить составы на десятки поверхностей один за другим, исследователи теперь могут наносить их на одну поверхность, которая проверяет весь диапазон смачиваемости. в пределах нескольких сантиметров. Возможны и другие применения, начиная от сбора воды в засушливых регионах и заканчивая микроканальными устройствами под открытым небом. Действительно, один и тот же метод можно использовать для создания поверхностей, различающихся по своему сродству к спирту и многим другим низкомолекулярным жидкостям.
Дж. Т. Хан, С. Ким и А. Карим. Настраиваемый УВО переход от супергидрофобного к супергидрофильному смачиванию на биомиметических наноструктурированных поверхностях. Ленгмюр 2007, 23, 2608-2614.