Vand kan ikke røre ved denne slibede, pulveriserede overflade

Vil du have en overflade, der ikke bliver våd? Tag noget sandpapir.

Rice University-forskere har udviklet en simpel metode til at gøre overflader superhydrofobe - det vil sige meget vandafvisende - uden de kemikalier, der ofte bruges i sådanne processer.

Deres teknik involverer sandpapir, et udvalg af pulvere og noget albuefedt.

Rice-professorernes laboratorier C. Fred Higgs III og James Tour, der er co-korresponderende forfattere af en artikel i American Chemical Society-tidsskriftet ACS Applied Materials and Interfaces , viste, at slibning af en overflade øger dens evne til at kaste vand uden at blive våd. Men at male i et pulver på samme tid giver det hydrofobe superkræfter.

Endnu bedre, deres superhydrofobe overflader har også fremragende anti-isningsegenskaber. De fandt ud af, at det tog vand 2,6 gange længere tid at fryse på behandlede overflader sammenlignet med ubehandlede materialer. De bemærkede også, at is mistede 40 % af sin vedhæftningsstyrke, selv i temperaturer så lave som minus 31 grader Fahrenheit.

Hvor godt en overflade absorberer eller afviser vand, kan måles ved at analysere kontaktvinklen for dråber, der sætter sig der. For at være superhydrofobt skal et materiale have en vandkontaktvinkel - den vinkel, hvor vandoverfladen møder materialets overflade - større end 150 grader. Jo større beading, jo højere vinkel. En vinkel på nul grader er en vandpyt, mens en maksimal vinkel på 180 grader er en kugle, der bare rører overfladen.

For at opnå deres superstatus har hydrofobe materialer lav overfladeenergi samt en ru overflade. Rice-holdets bedste materialer viste en kontaktvinkel på omkring 164 grader.

Higgs, hvis laboratorium har specialiseret sig i tribologi, studiet af overflader i glidende kontakt, sagde, at visse typer sandpapir kan give overfladeruhed, der fremmer den ønskede vandafvisende eller hydrofobiske adfærd.

"Men Tour-gruppens idé om at introducere udvalgte pulvermaterialer mellem gnidningsoverfladerne under indsandningsprocessen betyder, at der dannes en tribofilm," sagde Higgs. "Det giver den ekstra bonus ved at funktionalisere overfladen for at afvise vand stadig mere."

En tribofilm dannes i en kemisk reaktion på overflader, der glider mod hinanden. Overfladen af ​​en motors stempel er et godt eksempel, sagde han.

Higgs sagde, at slibning gør blødere overflader ru og tillader pulverne at klæbe gennem van der Waals-kræfter. "Disse kræfter er størst, når overflader kommer i tæt kontakt," sagde han. "Derfor kan pulverpartikler klæbe selv efter indsandningsprocessen er afsluttet."

Strukturelle ændringer og masse- og elektronoverførsel ser ud til at sænke overfladeenergien af ​​de materialer, der før behandling allerede var mildt hydrofobe eller hydrofile, ifølge forskerne.

Rice-teamet anvendte teknikken på en række forskellige overflader (Teflon, polyethylen, polypropylen, polystyren, polyvinylchlorid og polydimethylsiloxan) med en række pulveradditiver. Disse omfattede laser-induceret grafenfiber, turbostratisk flashgrafen, molybdændisulfid, teflon og bornitrid. Der blev brugt en række forskellige aluminiumoxidsandpapirer, fra 180- til 2.000-korn.

De modstandsdygtige materialer viste sig at være robuste, da hverken opvarmning til 130 grader Celsius (266 grader Fahrenheit) eller 18 måneder under den varme Houston-sol forringede dem. At klæbe gennemsigtig tape på overfladen og flå den af ​​100 gange forringede dem heller ikke. Men selv da materialerne begyndte at svigte, fandt laboratorierne ud af, at genslibning af dem nemt kunne genopfriske deres hydrofobicitet.

Holdet opdagede også, at ved at ændre indsandningsforholdene og pulvertilsætningsstofferne kan materialer også gøres hydrofile eller vandabsorberende.

Tour sagde, at forenkling af fremstillingen af ​​superhydrofobe og anti-isningsmaterialer burde tiltrække industriens interesse. "Det er svært at lave disse materialer," sagde han. "Superhydrofobe overflader tillader ikke vandophobning. Vandet perler og ruller med det samme, hvis der er selv den mindste vinkel eller svag vind.

"Nu kan næsten enhver overflade gøres superhydrofob på få sekunder," sagde Tour. "Kuverne kan være så simple som teflon eller molybdændisulfid, som begge er let tilgængelige, eller nyere grafenmaterialer. Mange industrier kunne drage fordel af dette, lige fra byggere af fly og både til skyskrabere, hvor lav is-vedhæftning er essentiel. "

"Flyfabrikanter ønsker ikke, at der dannes is på deres vinger, skibskaptajner ønsker ikke, at slæb fra havvand bremser dem, og biomedicinsk udstyr skal undgå biobegroning, hvor bakterier opbygges på våde overflader," sagde Higgs. "Robuste, langtidsholdbare superhydrofobe overflader fremstillet af denne et-trins, indsandningsmetode kan afhjælpe mange af disse problemer.

"En begrænsning af andre teknikker til at generere hydrofobe overflader er, at de ikke skalerer op til store overfladearealer som dem på fly og skibe," sagde han. "Simple anvendelsesteknikker som den, der er udviklet her, bør være skalerbare."

Rice-studerende Weiyin Chen, medforfatter af det nye papir, sagde, at Tour-laboratoriet også har anvendt sin sand-in-teknik på forskellige metaloverflader, herunder, som rapporteret i et andet nyligt papir, lithium- og natriumfolier til metalbatterier.

"De spontane kemiske reaktioner forårsager dannelsen af ​​tribofilm, i dette tilfælde den kunstige faste elektrolyt-interfase," sagde Chen. "De modificerede metaller kan bruges som anoder til genopladelige metalbatterier." + Udforsk yderligere

Gas giver laser-induceret grafen superegenskaber