En ny løsningsmiddelfri teknikk kan forenkle fremstillingen av superhydrofobe og anti-isingsmaterialer. Teknikken, som kan brukes til å gjøre nesten alle overflater ekstremt vannavstøtende, har mange potensielle bruksområder, inkludert – men ikke begrenset til – flyvinger, biomedisinsk utstyr, luftmotstandsreduksjonssystemer, batterielektroder og katalysatoroverflater.
Superhydrofobe materialer er definert som de som frastøter vanndråper med en kontaktvinkel (vinkelen der overflaten av vannet møter overflaten av materialet) på mer enn 150°. Disse materialene har også lav overflateenergi samt en ru overflate på mikronskalaen.
Nåværende teknikker for å lage slike materialer er imidlertid komplekse og involverer ofte bruk av sterke kjemikalier. Et team av forskere ledet av James-tur og C Fred Higgs III fra Rice University i USA har nå utviklet en ett-trinns, løsemiddelfri slipemetode som kan skape superhydrofobe overflater med en kontaktvinkel på nesten 164°.
Forskerne brukte kommersielt sandpapir for å introdusere utvalgte pulvertilsetningsstoffer, som grafen, molybdendisulfid, teflon og bornitrid, i overflatene til materialer inkludert teflon, polypropylen, polystyren, polyvinylklorid og polydimetylsiloksan. Sandpapiret var laget av aluminiumoksid med korn på mellom 180 og 2000.
Tribofilmdannelse
"Under innsandingsprosessen letter innføringen av pulver mellom gnideflatene dannelsen av en tribofilm," forklarer Tour. "En tribofilm dannes i en kjemisk reaksjon på overflater som glir mot hverandre og funksjonaliserer overflaten for å avstøte vann enda mer."
"Slipingen induserer også strukturelle endringer og masse- og elektronoverføring for å senke overflateenergien til substratene," legger Higgs til.
Et bredt spekter av overflater kan gjøres superhydrofobe på få minutter, forteller Tour Fysikkens verden. Dette fremhever det brede spekteret av potensielle bruksområder for de slipte overflatene.
"Flyprodusenter vil ikke at det dannes is på vingene deres, skipskapteiner vil ikke at drag fra tilknyttede havmikrober bremser dem og biomedisinsk utstyr må unngå biologisk begroing, der bakterier bygger seg opp på våte overflater," sier Higgs. "Robuste, langvarige superhydrofobe overflater produsert fra denne ett-trinns, innsandingsmetoden kan lindre mange av disse problemene."
Superhydrofobe overflater stivner
Higgs bemerker at andre teknikker som brukes til å generere hydrofobe overflater ikke kan skaleres opp til store overflateområder, for eksempel på fly og skip. "Enkle applikasjonsteknikker som den som er utviklet her bør være skalerbare," sier han.
Robust superhydrofobitet
De superhydrofobe materialene er ekstremt robuste. Faktisk forble de vannavstøtende selv etter 100 klebrig tape-avskallingstester og etter å ha blitt eksponert for 130°C i luft i 24 timer. Å la dem ligge ute i den varme texanske solen i 18 måneder påvirket heller ikke egenskapene deres. Og når materialene begynner å svikte, kan de enkelt friskes opp ved ganske enkelt å slipe dem på nytt med de samme pulvertilsetningene.
Rice-forskerne er nå ute etter å bruke sin innsandingsteknikk på en annen type underlag – metalloverflatene som brukes til å lage oppladbare batterier. Faktisk rapporterte de nylig om tester på litium- og natriumfolier. "Rollen til tribofilmen her var å regulere den innkommende ionestrømmen i batterielektrolytten for å forbedre metallavsetningen/strippingsadferden under batterisyklingen," forklarer Tour.
Forskerne beskriver arbeidet sitt i ACS anvendte materialer.
