Forskere ser nanobobler på super non-stick overflader

(PhysOrg.com) -- Det første glimt af små luftbobler, der forhindrer vand i at fugte en super non-stick overflade kan føre til nye superglatte materialer med anvendelser inden for energi, medicin, og mere.

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har fået det første glimt af små luftbobler, der forhindrer vand i at fugte en super non-stick overflade. Detaljerede oplysninger om størrelsen og formen af ​​disse bobler - og det non-stick-materiale, som forskerne skabte ved at "pock-markere" et glat materiale med hulrum, der kun måler milliardtedele af en meter — offentliggøres online i dag i tidsskriftet Nano bogstaver .

"Vores resultater forklarer, hvordan disse nanokaviteter fanger små bobler, som gør overfladen ekstremt vandafvisende, ” sagde Brookhaven-fysiker og hovedforfatter Antonio Checco. Forskningen kan føre til en ny klasse af non-stick materialer til en række applikationer, herunder forbedrede kraftværker, hurtigere både, og overflader, der er modstandsdygtige over for forurening med bakterier.

Non-stick overflader er vigtige for mange teknologiområder, fra modstandsreduktion til anti-isningsmidler. Disse overflader skabes normalt ved at påføre belægninger, såsom teflon, til glatte overflader. Men for nylig - taget føringen fra observationer i naturen, især lotusbladet og nogle sorter af insekter - videnskabsmænd har indset, at en smule tekstur kan hjælpe. Ved at inkorporere topografiske træk på overflader, de har skabt ekstremt vandafvisende materialer.

"Vi kalder denne effekt 'superhydrofobicitet, ’,” sagde Brookhaven-fysiker Benjamin Ocko. "Det opstår, når luftbobler forbliver fanget i de teksturerede overflader, derved drastisk reducere det område af væske, der er i kontakt med det faste stof." Dette tvinger vandet til at kugle op i perleformede dråber, som er svagt forbundet med overfladen og let kan rulle af, selv med den mindste hældning.

"For at få det første glimt af nanobobler på en superhydrofob overflade skabte vi en regulær række af mere end en billion nano-hulrum på en ellers flad overflade, og derefter belagt det med et vokslignende overfladeaktivt middel, " sagde Charles Black, en fysiker ved Brookhavens Center for Functional Nanometerials.

Denne belagte, nanoskala tekstureret overflade var meget mere vandafvisende end den flade overflade alene, antyder eksistensen af ​​nanobobler. Imidlertid, fordi nanoskalaen ikke er tilgængelig med almindelige mikroskoper, man ved lidt om disse nanobobler.

For utvetydigt at bevise, at disse ultra-små bobler var til stede, Brookhaven-teamet udførte røntgenmålinger ved National Synchrotron Light Source. "Ved at se, hvordan røntgenstrålerne diffrerede, eller hoppet af overfladen, vi er i stand til at afbilde ekstremt små træk og vise, at hulrummene for det meste var fyldt med luft, ” sagde Brookhaven-fysiker Elaine DiMasi.

Checco tilføjede, "Vi var overraskede over, at vand kun trænger omkring 5 til 10 nanometer ind i hulrummene - en mængde svarende til kun 15 til 30 lag af vandmolekyler - uafhængigt af hulrummenes dybde. Dette giver det første direkte bevis på morfologien af ​​sådanne små bobler."

Ifølge forskernes observationer, boblerne er kun omkring 10 nanometer store - omkring ti tusinde gange mindre end bredden af ​​et enkelt menneskehår. Og holdets resultater viser endegyldigt, at disse små bobler har næsten flade toppe. Dette er i modsætning til større, mikrometer store bobler, som har en mere afrundet top.

"Denne flade konfiguration er tiltalende til en række anvendelser, fordi den forventes at øge hydrodynamisk glidning forbi den nanoteksturerede overflade, " sagde Checco. "I øvrigt, det faktum, at vand næsten ikke trænger ind i nano-teksturerne, selvom der påføres et eksternt tryk på væsken, antyder, at disse nanobobler er meget stabile."

Derfor, i modsætning til materialer med større, mikrometer store teksturer, overfladerne fremstillet af Brookhaven-teamet kan udvise mere stabile superhydrofobe egenskaber.

"Disse resultater giver en bedre forståelse af nanoskalaaspekterne af superhydropobicitet, som skulle bidrage til at forbedre designet af fremtidige superhydrofobe non-stick overflader, " sagde Checco.