En ny lösningsmedelsfri teknik skulle kunna förenkla tillverkningen av superhydrofoba och anti-isbildningsmaterial. Tekniken, som kan användas för att göra nästan vilken yta som helst extremt vattenavvisande, har många potentiella tillämpningar, inklusive – men inte begränsat till – flygplansvingar, biomedicinska anordningar, system för motståndsminskning, batterielektroder och katalysatorytor.
Superhydrofoba material definieras som sådana som stöter bort vattendroppar med en kontaktvinkel (vinkeln vid vilken vattenytan möter materialets yta) på mer än 150°. Dessa material har också en låg ytenergi samt en grov yta på mikronskalan.
Nuvarande tekniker för att tillverka sådana material är dock komplexa och involverar ofta användning av starka kemikalier. Ett team av forskare under ledning av James turné och C Fred Higgs III från Rice University i USA har nu utvecklat en enstegs, lösningsmedelsfri slipmetod som kan skapa superhydrofoba ytor med en kontaktvinkel på nästan 164°.
Forskarna använde kommersiellt sandpapper för att införa utvalda pulvertillsatser, såsom grafen, molybdendisulfid, teflon och bornitrid, i ytorna på material inklusive teflon, polypropen, polystyren, polyvinylklorid och polydimetylsiloxan. Sandpappret var tillverkat av aluminiumoxid med korn på mellan 180 och 2000.
Tribofilmbildning
"Under insandningsprocessen underlättar införandet av pulver mellan gnidningsytorna bildandet av en tribofilm", förklarar Tour. "En tribofilm bildas i en kemisk reaktion på ytor som glider mot varandra och funktionaliserar ytan för att stöta bort vatten ännu mer."
"Slipningen inducerar också strukturella förändringar och mass- och elektronöverföring för att sänka substratens ytenergi", tillägger Higgs.
Ett brett utbud av ytor kan göras superhydrofoba på några minuter, berättar Tour Fysikvärlden. Detta belyser det breda utbudet av potentiella användningsområden för de slipade ytorna.
"Flygplanstillverkare vill inte att det bildas is på deras vingar, fartygskaptener vill inte att drag från bifogade havsmikrober bromsar dem och biomedicinsk utrustning måste undvika biologisk förorening, där bakterier byggs upp på våta ytor", säger Higgs. "Robusta, långvariga superhydrofoba ytor tillverkade av denna enstegs-sandningsmetod kan lindra många av dessa problem."
Superhydrofoba ytor segar upp
Higgs noterar att andra tekniker som används för att generera hydrofoba ytor inte kan skala upp till stora ytareor, såsom de på flygplan och fartyg. "Enkla applikationstekniker som den som utvecklats här borde vara skalbar", säger han.
Robust superhydrofobicitet
De superhydrofoba materialen är extremt robusta. I själva verket förblev de vattenavvisande även efter 100 tester för avdragning av klibbigt tejp och efter att ha exponerats för 130°C i luft under 24 timmar. Att lämna dem ute i den heta texanska solen i 18 månader påverkade inte heller deras egenskaper. Och när materialen börjar misslyckas kan de enkelt fräschas upp genom att helt enkelt slipa dem igen med samma pulvertillsatser.
Risforskarna letar nu efter att helt och hållet tillämpa sin insandningsteknik på en annan typ av substrat – de metallytor som används för att tillverka uppladdningsbara batterier. Faktum är att de nyligen rapporterade tester på litium- och natriumfolier. "Tribofilmens roll här var att reglera det inkommande jonflödet i batterielektrolyten för att förbättra metallavlagringen/avdragningsbeteendet under battericyklingen", förklarar Tour.
Forskarna beskriver sitt arbete i ACS tillämpade material.
