Ultratynde selvhelbredende polymerer skaber nye, bæredygtige vandafvisende belægninger

Forskere har fundet en måde at gøre ultratynde overfladebelægninger robuste nok til at overleve ridser og skrammer. Det nye materiale, udviklet ved at fusionere tyndfilm og selvhelbredende teknologier, har en næsten uendelig liste over potentielle applikationer, herunder selvrensning, anti-isning, anti-dug, anti-bakteriel, antifouling og forbedrede varmevekslingsbelægninger, sagde forskere.

Den nye undersøgelse viste, at de hurtige fordampningsegenskaber af en specialiseret polymer, der indeholder et netværk af dynamiske bindinger i dens rygrad, hjælper med at danne en vandafvisende, selvhelbredende belægning af nanoskala tykkelser. Studiet, ledet af University of Illinois Urbana-Champaign professor i mekanisk videnskab og teknik Nenad Miljkovic og professor i materialevidenskab og ingeniør Christopher Evans, er publiceret i tidsskriftet Naturkommunikation .

Til denne undersøgelse, Miljkovic-gruppens primære fokus var at øge effektiviteten af ​​dampkraftværker, som er de største producenter af elektricitet på verdensplan, ved at bruge disse typer belægninger i deres kondensatorer. "Belægningerne, når det påføres kondensatorernes overflader, gøre dem mere vandafvisende og effektive til at danne vanddråber, som optimerer varmeoverførslen, " sagde kandidatforsker Jingcheng Ma, en medforfatter af undersøgelsen.

Når det bruges i dampkraftværker, tynde belægninger kan løbe ind i en lang række holdbarhedsproblemer, sagde forskerne. Belægninger kan nedbrydes på uger, nogle gange endda timer. En så kort levetid gør påføringen af ​​belægningerne i den virkelige verden upraktisk, som har været en grundlæggende udfordring inden for mekanisk og materialevidenskab i omkring otte årtier. Tykkere belægninger kan være mere holdbare, men de reducerer varmeoverførslen og eroderer den tilhørende fordel ved belægningen.

Tidligere undersøgelser har vist, at de fleste ultratynde belægninger udvikler bittesmå pinhole-defekter, når de hærder på en overflade. Damp trænger gennem disse defekter, fører til gradvis delaminering af belægningen, sagde forskerne, så deres mål var at udvikle en pinhole-fri, vandafvisende tyndfilm og forbedre den samlede energieffektivitet af dampkraftværker med flere procent.

"Selvhelbredende materialer kan genbruge og oparbejde sig selv, " sagde Evans. "Vi fandt ud af, at vi med succes kan udnytte den healing, som de dynamiske bånd muliggør, gør det muligt for belægningerne at reparere sig selv som reaktion på ridser eller for at forhindre nålehuller i at vokse."

Kaldet dyn-PDMS, materialet kan let dip-coates på materialer i nanoskala lag på forskellige overflader som silicium, aluminium, kobber eller stål.

"En af grundene til, at vi kan få så tynde lag, er fordi de opløsningsmidler, der bruges i reaktionen, fordamper meget hurtigt, efterlader kun polymeren, " sagde Evans. "Også, en gang helbredt, materialet reparerer sig selv fra ridser meget hurtigt - så hurtigt, at det er svært at observere i realtid. Vi ser ikke denne adfærd i det store hele, masseprøver af materialet - kun i den tynde film, og det er et spørgsmål, vi forsøger at besvare nu."

Forskerne hævder, at de ultratynde belægninger, der er udviklet i denne undersøgelse, tilbyder en løsning til bæredygtige vandafvisende materialer og rejser åbne videnskabelige spørgsmål inden for materialevidenskab og væskemekanik, som forbliver ubesvarede.