Μια νέα τεχνική χωρίς διαλύτες θα μπορούσε να απλοποιήσει την κατασκευή υπερυδρόφοβων και αντιπαγωτικών υλικών. Η τεχνική, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κάνει σχεδόν οποιαδήποτε επιφάνεια εξαιρετικά υδατοαπωθητική, έχει πολλές πιθανές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων - αλλά δεν περιορίζεται σε - πτερύγια αεροπλάνου, βιοϊατρικές συσκευές, συστήματα μείωσης οπισθέλκουσας, ηλεκτρόδια μπαταρίας και επιφάνειες καταλύτη.
Ως υπερυδρόφοβα υλικά ορίζονται εκείνα που απωθούν τα σταγονίδια νερού με γωνία επαφής (η γωνία στην οποία η επιφάνεια του νερού συναντά την επιφάνεια του υλικού) μεγαλύτερη από 150°. Αυτά τα υλικά έχουν επίσης χαμηλή επιφανειακή ενέργεια καθώς και τραχιά επιφάνεια σε κλίμακα micron.
Ωστόσο, οι τρέχουσες τεχνικές για την κατασκευή τέτοιων υλικών είναι πολύπλοκες και συχνά περιλαμβάνουν τη χρήση σκληρών χημικών ουσιών. Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Τζέιμς περιοδεία και Γ Fred Higgs III του Πανεπιστημίου Rice στις ΗΠΑ έχει τώρα αναπτύξει μια μέθοδο λείανσης ενός σταδίου, χωρίς διαλύτες, που μπορεί να δημιουργήσει υπερυδρόφοβες επιφάνειες με γωνία επαφής σχεδόν 164°.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν γυαλόχαρτο του εμπορίου για να εισαγάγουν επιλεγμένα πρόσθετα σε σκόνη, όπως γραφένιο, δισουλφίδιο του μολυβδαινίου, τεφλόν και νιτρίδιο βορίου, στις επιφάνειες υλικών όπως τεφλόν, πολυπροπυλένιο, πολυστυρένιο, χλωριούχο πολυβινύλιο και πολυδιμεθυλοσιλοξάνιο. Το γυαλόχαρτο κατασκευάστηκε από οξείδιο του αλουμινίου με κόκκους μεταξύ 180 και 2000.
Σχηματισμός Tribofilm
«Κατά τη διαδικασία της άμμου, η εισαγωγή σκόνης ανάμεσα στις επιφάνειες τριβής διευκολύνει το σχηματισμό ενός τριβόφιλμ», εξηγεί ο Tour. «Σχηματίζεται ένα tribofilm σε μια χημική αντίδραση σε επιφάνειες που γλιστρούν μεταξύ τους και ενεργοποιεί την επιφάνεια για να απωθεί το νερό ακόμη περισσότερο».
«Η λείανση προκαλεί επίσης δομικές αλλαγές και μεταφορά μάζας και ηλεκτρονίων για μείωση της επιφανειακής ενέργειας των υποστρωμάτων», προσθέτει ο Higgs.
Ένα ευρύ φάσμα επιφανειών μπορεί να γίνει υπερυδρόφοβο μέσα σε λίγα λεπτά, λέει ο Tour Κόσμος Φυσικής. Αυτό τονίζει το ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών των λειασμένων επιφανειών.
«Οι κατασκευαστές αεροπλάνων δεν θέλουν να σχηματίζεται πάγος στα φτερά τους, οι καπετάνιοι πλοίων δεν θέλουν έλξη από κολλημένα μικρόβια του ωκεανού που τα επιβραδύνουν και οι βιοϊατρικές συσκευές πρέπει να αποφεύγουν τη βιοαπόθεση, όπου τα βακτήρια συσσωρεύονται σε υγρές επιφάνειες», λέει ο Higgs. «Στιβαρές, μακράς διαρκείας υπερυδρόφοβες επιφάνειες που παράγονται από αυτή τη μέθοδο με ένα βήμα, με άμμο μπορούν να ανακουφίσουν πολλά από αυτά τα προβλήματα».
Οι υπερυδρόφοβες επιφάνειες σκληραίνουν
Ο Higgs σημειώνει ότι άλλες τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία υδρόφοβων επιφανειών δεν μπορούν να επεκταθούν σε μεγάλες επιφάνειες, όπως αυτές σε αεροπλάνα και πλοία. «Οι απλές τεχνικές εφαρμογής όπως αυτή που αναπτύχθηκε εδώ θα πρέπει να είναι επεκτάσιμες», λέει.
Ισχυρή υπερυδροφοβία
Τα υπερυδρόφοβα υλικά είναι εξαιρετικά ανθεκτικά. Πράγματι, παρέμειναν υδατοαπωθητικά ακόμη και μετά από 100 δοκιμές απολέπισης με κολλητική ταινία και μετά από έκθεση στους 130°C στον αέρα για 24 ώρες. Το να τα αφήνουν έξω στον καυτό ήλιο του Τέξας για 18 μήνες δεν επηρέασε ούτε τις ιδιότητές τους. Και όταν τα υλικά αρχίζουν να αποτυγχάνουν, μπορούν εύκολα να ανανεωθούν απλά τρίβοντάς τα ξανά με τα ίδια πρόσθετα σκόνης.
Οι ερευνητές του Rice προσπαθούν τώρα να εφαρμόσουν την τεχνική τους με άμμο σε έναν άλλο τύπο υποστρώματος συνολικά – τις μεταλλικές επιφάνειες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Πράγματι, ανέφεραν πρόσφατα δοκιμές σε φύλλα λιθίου και νατρίου. «Ο ρόλος του tribofilm εδώ ήταν να ρυθμίζει την εισερχόμενη ροή ιόντων στον ηλεκτρολύτη της μπαταρίας για να βελτιώσει τη συμπεριφορά εναπόθεσης/απογύμνωσης μετάλλου κατά τη διάρκεια της μπαταρίας», εξηγεί ο Tour.
Οι ερευνητές περιγράφουν το έργο τους στο Εφαρμοσμένα Υλικά ACS.
