Hydrofob - Hydrophobe

Kąt zwilżania wodą 165 stopni na powierzchni zmodyfikowanej za pomocą chemii powierzchni systemu technologii plazmowej. Kąt zwilżania to czerwony kąt plus 90 stopni.
Kropla rosy na hydrofobowej powierzchni liścia
Cięcia kropli wody przy użyciu superhydrofobowej nóż na powierzchni superhydrofobowymi
Krople wody na hydrofobowej powierzchni trawy

W chemii , hydrofobowość jest właściwością fizyczną z cząsteczką , która jest pozornie odpychane od masy wody (znany jako hydrofobowe ). (Nie ma w tym żadnej siły odpychającej; jest to brak przyciągania). W przeciwieństwie do tego hydrofile są przyciągane do wody.

Cząsteczki hydrofobowe mają tendencję do bycia niepolarnymi, a zatem preferują inne obojętne cząsteczki i niepolarne rozpuszczalniki . Ponieważ cząsteczki wody są polarne, hydrofoby nie rozpuszczają się między nimi dobrze. Cząsteczki hydrofobowe w wodzie często skupiają się razem, tworząc micele . Woda na hydrofobowych powierzchniach będzie wykazywać duży kąt zwilżania .

Przykłady cząsteczek hydrofobowych obejmują alkany , oleje , tłuszcze i ogólnie substancje tłuste. Materiały hydrofobowe są wykorzystywane do usuwania oleju z wody, zarządzania wyciekami ropy oraz procesów separacji chemicznej w celu usunięcia substancji niepolarnych ze związków polarnych.

Hydrofobowy jest często używany zamiennie z lipofilowym , „lubiącym tłuszcz”. Jednak te dwa terminy nie są synonimami. Chociaż substancje hydrofobowe są zazwyczaj lipofilowe, istnieją wyjątki, takie jak silikony i fluorowęglowodory .

Termin hydrofob pochodzi od starożytnej greki ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), „przerażający wodę”, wywodzącego się ze starożytnej greki ὕδωρ (húdōr)  'woda' i starożytnej greki φόβος (phóbos)  'strach'.

Tło chemiczne

Oddziaływanie hydrofobowe jest głównie efektem entropicznym , pochodzącym z rozerwania bardzo dynamicznych wiązań wodorowych między cząsteczkami ciekłej wody przez niepolarną substancję rozpuszczoną, tworzącą strukturę podobną do klatratu wokół cząsteczek niepolarnych. Ta utworzona struktura jest bardziej uporządkowana niż cząsteczki wolnej wody, ponieważ cząsteczki wody organizują się tak, aby oddziaływać ze sobą w jak największym stopniu, a zatem powoduje wyższy stan entropii, który powoduje zlepianie się cząsteczek niepolarnych w celu zmniejszenia odsłoniętej powierzchni do wody i zmniejszyć entropię systemu. Zatem dwie niemieszające się fazy (hydrofilowa i hydrofobowa) zmienią się tak, że ich odpowiedni obszar międzyfazowy będzie minimalny. Efekt ten można zwizualizować w zjawisku zwanym rozdzielaniem faz .

Superhydrofobowość

Kropla wody na liściu lotosu.

Powierzchnie superhydrofobowe , takie jak liście lotosu, to takie, które są niezwykle trudne do zwilżenia. W Kąty zwilżania kropli wody nie przekracza 150 ° C. Nazywa się to efektem lotosu i jest przede wszystkim właściwością fizyczną związaną z napięciem międzyfazowym , a nie właściwością chemiczną.

Teoria

W 1805 roku Thomas Young zdefiniował kąt zwilżania θ analizując siły działające na kroplę płynu spoczywającą na powierzchni stałej otoczonej gazem.

Kropelka cieczy spoczywa na stałej powierzchni i jest otoczona gazem. Kąt zwilżania, θ C , to kąt uformowany przez ciecz, na granicy trzech faz, gdzie ciecz, gaz i ciała stałego przecinać.
Kropelka spoczywająca na powierzchni stałej i otoczona gazem tworzy charakterystyczny kąt zwilżania  θ . Jeżeli powierzchnia ciała stałego jest szorstka, a ciecz jest w bliskim kontakcie z chropowatością ciała stałego, to kropla jest w stanie Wenzela. Jeśli ciecz spoczywa na wierzchołkach nierówności, jest w stanie Cassie-Baxter.

gdzie

= Napięcie międzyfazowe między ciałem stałym a gazem
= Napięcie międzyfazowe między ciałem stałym a cieczą
= Napięcie międzyfazowe między cieczą a gazem

θ można zmierzyć za pomocą goniometru kąta zwilżania .

Wenzel ustalił, że gdy ciecz jest w bliskim kontakcie z mikrostrukturalną powierzchnią, θ zmieni się na θ W*

gdzie r jest stosunkiem powierzchni rzeczywistej do powierzchni projektowanej. Równanie Wenzela pokazuje, że mikrostrukturyzacja powierzchni wzmacnia naturalną tendencję powierzchni. Powierzchnia hydrofobowa (taka, która ma pierwotny kąt zwilżania większy niż 90°) staje się bardziej hydrofobowa po mikrostrukturze – jej nowy kąt zwilżania staje się większy niż pierwotny. Jednak powierzchnia hydrofilowa (taka, która ma pierwotny kąt zwilżania mniejszy niż 90°) staje się bardziej hydrofilowa po mikrostrukturze – jej nowy kąt zwilżania staje się mniejszy niż pierwotny. Cassie i Baxter odkryli, że jeśli ciecz jest zawieszona na szczytach mikrostruktur, θ zmieni się na θ CB* :

gdzie φ jest ułamkiem powierzchni ciała stałego, który dotyka cieczy. Ciecz w stanie Cassie-Baxter jest bardziej mobilna niż w stanie Wenzel.

Możemy przewidzieć, czy stan Wenzela lub Cassie-Baxtera powinien istnieć, obliczając nowy kąt zwilżania za pomocą obu równań. Przez minimalizację argumentu energii swobodnej, relacja, która przewidywała mniejszy nowy kąt zwilżania, jest stanem najbardziej prawdopodobnym. Wyrażone w kategoriach matematycznych, aby stan Cassie-Baxtera istniał, następująca nierówność musi być prawdziwa.

Ostatnie alternatywne kryterium dla stanu Cassie-Baxtera zapewnia, że ​​stan Cassie-Baxtera istnieje, gdy spełnione są następujące 2 kryteria: 1) siły linii styku pokonują siły ciała niepodpartej masy kropli i 2) mikrostruktury są wystarczająco wysokie, aby zapobiec cieczy który łączy mikrostruktury przed dotknięciem podstawy mikrostruktur.

Niedawno opracowano nowe kryterium przełączania między stanami Wenzela i Cassie-Baxtera, oparte na chropowatości powierzchni i energii powierzchniowej. Kryterium skupia się na zdolności zatrzymywania powietrza pod kroplami cieczy na chropowatych powierzchniach, co może wskazać, czy model Wenzela, czy model Cassie-Baxtera powinien być stosowany dla określonej kombinacji chropowatości powierzchni i energii.

Kąt zwilżania jest miarą statycznej hydrofobowości, a histereza kąta zwilżania i kąt poślizgu są miarami dynamicznymi. Histereza kąta zwilżania jest zjawiskiem charakteryzującym niejednorodność powierzchni. Kiedy pipeta wstrzykuje ciecz na ciało stałe, ciecz tworzy pewien kąt zwilżania. W miarę wstrzykiwania przez pipetę większej ilości cieczy objętość kropelki zwiększy się, kąt zwilżania wzrośnie, ale jej trójfazowa granica pozostanie nieruchoma, aż do nagłego wysunięcia się na zewnątrz. Kąt zwilżania, jaki miała kropelka bezpośrednio przed wysunięciem na zewnątrz, jest określany jako wysuwający się kąt zwilżania. Cofający się kąt zwilżania jest teraz mierzony przez wypompowanie cieczy z powrotem z kropli. Kropla zmniejszy swoją objętość, kąt zwilżania zmniejszy się, ale jej trójfazowa granica pozostanie nieruchoma, aż nagle cofnie się do wewnątrz. Kąt zwilżania, jaki miała kropelka bezpośrednio przed cofnięciem się do wewnątrz, jest określany jako cofnięty kąt zwilżania. Różnica między postępującym i malejącym kątem zwilżania jest nazywana histerezą kąta zwilżania i może być wykorzystana do scharakteryzowania niejednorodności powierzchni, chropowatości i ruchliwości. Powierzchnie, które nie są jednorodne, będą miały domeny utrudniające ruch linii styku. Kąt poślizgu jest kolejną dynamiczną miarą hydrofobowości i jest mierzony przez osadzanie kropelki na powierzchni i przechylanie powierzchni, aż kropelka zacznie się ślizgać. Ogólnie rzecz biorąc, ciecze w stanie Cassie-Baxtera wykazują niższe kąty poślizgu i histerezę kąta zwilżania niż w stanie Wenzela.

Badania i rozwój

Kropelki wody toczą się po nachylonej powierzchni hydrofobowej.
Kropelki wody na sztucznej powierzchni hydrofobowej (po lewej)

Dettre i Johnson odkryli w 1964 r., że zjawisko superhydrofobowego efektu lotosu jest związane z chropowatymi hydrofobowymi powierzchniami i opracowali model teoretyczny oparty na eksperymentach z kulkami szklanymi pokrytymi parafiną lub telomerem TFE. Własność samooczyszczania superhydrofobowych mikronanostrukturalnych powierzchni opisano w 1977 roku. Opracowano superhydrofobowe materiały perfluoroalkilowe, perfluoropolieterowe i formowane plazmowo RF, stosowane do elektrozwilżania i skomercjalizowane do zastosowań biomedycznych w latach 1986-1995. pojawiły się od połowy lat 90. XX wieku. Trwała superhydrofobowa hierarchiczna kompozycja, stosowana w jednym lub dwóch etapach, została ujawniona w 2002 r., zawierająca cząstki o wielkości nanometrów ≤ 100 nanometrów nakładające się na powierzchnię o cechach wielkości mikrometrowej lub cząstki o wielkości ≤ 100 mikrometrów. Zaobserwowano, że większe cząstki chronią mniejsze cząstki przed ścieraniem mechanicznym.

W ostatnich badaniach doniesiono o superhydrofobowości poprzez umożliwienie zestalenia dimeru alkiloketenu (AKD) w nanostrukturalną powierzchnię fraktalną. Od tego czasu w wielu artykułach przedstawiono sposoby wytwarzania powierzchni superhydrofobowych, w tym osadzanie cząstek, techniki zol-żel, obróbkę plazmową, osadzanie z fazy gazowej i techniki odlewania. Obecna szansa na wywarcie wpływu na badania leży głównie w badaniach podstawowych i praktycznej produkcji. Ostatnio pojawiły się debaty dotyczące stosowalności modeli Wenzela i Cassie-Baxtera. W eksperymencie zaprojektowanym, aby zakwestionować perspektywę energii powierzchniowej modelu Wenzela i Cassie-Baxtera i promować perspektywę linii kontaktowej, krople wody umieszczono na gładkim hydrofobowym miejscu w szorstkim polu hydrofobowym, szorstkim miejscu hydrofobowym w gładkim polu hydrofobowym, oraz hydrofilową plamkę w polu hydrofobowym. Eksperymenty wykazały, że chemia powierzchni i geometria na linii styku wpływa na kąt zwilżania i histerezę kąta zwilżania , ale pole powierzchni wewnątrz linii styku nie miało wpływu. Zaproponowano również argument, że zwiększone poszarpanie w linii styku zwiększa ruchliwość kropelek.

Wiele materiałów hydrofobowych występujących w naturze opiera się na prawie Cassie i jest dwufazowych na poziomie submikrometrowym z jednym składnikiem powietrza. Na tej zasadzie opiera się efekt lotosu. Zainspirowany nim powstało wiele funkcjonalnych powierzchni superhydrofobowych.

Przykładem bionicznego lub biomimetycznego materiału superhydrofobowego w nanotechnologii jest folia nanopinowa .

Jedno z badań przedstawia powierzchnię pięciotlenku wanadu, która odwracalnie przełącza się między superhydrofobowością a superhydrofilowością pod wpływem promieniowania UV. Według badań, każda powierzchnia może być zmodyfikowana tak, aby ten efekt poprzez zastosowanie zawiesiny Rose, takich jak V- 2 O 5 cząstek, na przykład za pomocą drukarki atramentowej . Ponownie hydrofobowość wywołują międzywarstwowe kieszenie powietrzne (oddzielone odległością 2,1 nm ). Wyjaśniono również efekt UV. Światło UV tworzy pary elektron-dziura , przy czym dziury reagują z tlenem sieciowym, tworząc powierzchniowe luki tlenowe, podczas gdy elektrony redukują V 5+ do V 3+ . Wakanse tlenowe są pokrywane przez wodę i to właśnie ta absorpcja wody przez powierzchnię wanadu sprawia, że ​​jest ona hydrofilowa. Przy dłuższym przechowywaniu w ciemności woda jest zastępowana tlenem i ponownie traci się hydrofilowość .

Znaczna większość powierzchni hydrofobowych ma swoje właściwości hydrofobowe nadane przez strukturalne lub chemiczne modyfikacje powierzchni materiału sypkiego, poprzez powłoki lub obróbkę powierzchni. Innymi słowy, obecność cząsteczek (zwykle organicznych) lub cech strukturalnych skutkuje wysokimi kątami zwilżania wody. W ostatnich latach wykazano, że tlenki ziem rzadkich posiadają wewnętrzną hydrofobowość. Wewnętrzna hydrofobowość tlenków ziem rzadkich zależy od orientacji powierzchni i poziomów wakancji tlenowej i jest naturalnie bardziej wytrzymała niż powłoki lub obróbka powierzchni, mając potencjalne zastosowanie w kondensatorach i katalizatorach, które mogą działać w wysokich temperaturach lub środowiskach korozyjnych.

Aplikacje i potencjalne zastosowania

Beton hydrofobowy produkowany jest od połowy XX wieku.

Niedawne aktywne badania nad materiałami superhydrofobowymi mogą ostatecznie doprowadzić do większej liczby zastosowań przemysłowych.

Opisano prosty sposób powlekania tkaniny bawełnianej cząstkami krzemionki lub tytanu techniką zol-żel , która chroni tkaninę przed światłem UV i czyni ją superhydrofobową.

Opisano skuteczny sposób wytwarzania polietylenu superhydrofobowego, a tym samym samooczyszczania. 99% brudu na takiej powierzchni jest łatwo zmywane.

Wzorzyste powierzchnie superhydrofobowe dają nadzieję na stworzenie urządzeń mikroprzepływowych typu „lab-on-a-chip” i mogą radykalnie poprawić bioanalizę powierzchniową.

W farmaceutykach hydrofobowość mieszanek farmaceutycznych wpływa na ważne cechy jakościowe produktów końcowych, takie jak rozpuszczanie leku i twardość . Opracowano metody pomiaru hydrofobowości materiałów farmaceutycznych.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki