Vandafvisende nanoteknikker har gode anti-dug-evner

Nogle insektlegemer har udviklet evnerne til at frastøde vand og olie, klæbe til forskellige overflader, og eliminere lysreflektioner. Forskere har undersøgt de fysiske mekanismer, der ligger til grund for disse bemærkelsesværdige egenskaber, der findes i naturen og efterlignet dem til at designe materialer til brug i hverdagen.

For flere år siden, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory udviklede en nanoskala overfladestrukturmetode til at give materialer en fuldstændig vandafvisende egenskab-en egenskab inspireret af eksoskeletoner af insekter, der har små hår designet til at frastøde vand ved at fange luft. Deres metode udnytter materialernes evne til at kalde blokcopolymerer (kæder af to forskellige molekyler forbundet) til selv at samle sig i ordnede mønstre med dimensioner, der kun måler snesevis af nanometer. Forskerne brugte disse selvsamlede mønstre til at skabe nanoskala teksturer i en række uorganiske materialer, herunder silicium, glas, og noget plast. I første omgang, de studerede, hvordan ændring af teksturernes form fra cylindriske til koniske påvirkede materialers evne til at afvise vand. Kegleformede nanoforbindelser viste sig meget bedre til at tvinge vanddråber til at rulle af, transporterer snavspartikler væk og efterlader overflader helt tørre.

Nu, arbejder med kolleger i Frankrig - fra ESPCI Paris Tech, École Polytechnique, og Thales-gruppen-de har endvidere vist, at de optimerede nanoforbindelser har fremragende anti-dug-evner, som beskrevet i et papir, der blev offentliggjort online i 27. februar -udgaven af Naturmaterialer . Anført af David Quéré fra ESPCI og École Polytechnique, forskningen giver en grundlæggende forståelse, der kan informere nye designs til kondensering af spoler af dampturbinekraftgeneratorer, bil og fly forruder, og andre materialer, der er tilbøjelige til at tåge.

"Mange teksturerede materialer kan frastøde vand, med millimeter-store vanddråber, der hopper af deres overflader, men mange af disse overflader svigter, når de udsættes for tåget eller fugtige forhold, "sagde Charles Black, direktør for Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), DOE Office of Science User Facility, hvor Black og den tidligere fysiker Antonio Checco fra Brookhaven's Condensed Matter Physics and Materials Science Department og tidligere CFN postdoc -forskningsassistent Atikur Rahman fremstillede nanoteknikkerne.

Tåge dannes, når det er varmt, fugtig luft rammer en køligere overflade (f.eks. et vindue eller forrude) og danner vanddråber - en proces kaldet kondens. Når vanddråber i størrelse svarer til de strukturelle træk ved en struktureret hydrofob ("vandhatende") overflade, de kan komme ind og vokse inden for teksturen, i stedet for at forblive på toppen. Når teksturen er fyldt op, vandlanding på materialet sætter sig fast, hvilket resulterer i udseende af tåge.

Forskere har tidligere observeret, at cikadernes vinger, som er dækket af nanoserede kegleformede teksturer, har evnen til at afvise tåge ved at få vanddråber til spontant at hoppe af deres overflade - et fænomen forårsaget af effektiv omdannelse af overfladeenergi til kinetisk energi, når to dråber kombineres. Motiveret af dette eksempel fra naturen, teamet undersøgte, hvordan reducering af teksturstørrelse og ændring af teksturform påvirker en modeloverflades anti-dug-evne.

For at simulere tågetilstande, forskerne opvarmede vand og målte vedhæftningskraften som varme vanddråber afkølet ved kontakt med de nanotekstruerede overflader. Disse målinger afslørede, at dråbeadhæsion var signifikant påvirket af typen af ​​overflade -nanotekstur, med varme dråber, der stærkt klæber til dem med store teksturer og næsten ikke klæber til overflader med de mindste.

"Tekstur med de mindste funktionsstørrelser og den passende form - i dette tilfælde, konisk - modstå tåge, fordi kondenserende vanddråber er for store til at trænge igennem teksturen. Dråberne forbliver på toppen, hovedsageligt flydende på luftpuden, der er fanget nedenunder, "sagde Black.

Forskerne brugte derefter et optisk mikroskop tilsluttet et videokamera i høj opløsning til at se dråbe kondens på forskellige teksturer under dugdannelse, når atmosfærisk fugt kondenserer hurtigere, end det fordamper. Mens alle teksturer i første omgang er dækket af et stort antal mikrodråber, over tid bliver teksturer med en cylindrisk form dækket af vand, mens dem med en konisk form spontant tørrer sig selv. Kegleformede strukturer modstår dugdannelse, fordi vanddråberne er så let klæbet til overfladen, at når to dråber går sammen, de får nok energi til spontant at hoppe af overfladen, ligner den mekanisme, der observeres i cikadevinger.

"Dette arbejde repræsenterer det fremragende, multiplikativ effekt af DOE -brugerfaciliteter. I dette tilfælde, CFN's første samarbejde med en bruger fra en af ​​Brookhavens afdelinger førte til en ny international forbindelse med forskellige brugere, der gennemførte undersøgelsen af ​​hydrofobe overflader i nye retninger, "sagde Black.