Nano-kegle teksturer genererer ekstremt robuste vandafvisende overflader

Når det kommer til at designe ekstremt vandafvisende overflader, form og størrelse betyder noget. Det er konstateringen af ​​en gruppe videnskabsmænd ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, der undersøgte virkningerne af forskelligt formede, nanoskala teksturer på et materiales evne til at tvinge vanddråber til at rulle af uden at fugte dets overflade. Disse resultater og de metoder, der bruges til at fremstille sådanne materialer, blev offentliggjort online den 21. oktober, 2013, i Avancerede materialer -er yderst relevante for en bred vifte af applikationer, hvor vandmodstand er vigtig, herunder elproduktion og transport.

"Ideen om, at mikroskopiske teksturer kan give et materiale med vandafvisende egenskaber, har sin oprindelse i naturen, " forklarede Brookhaven-fysiker og hovedforfatter Antonio Checco. "F.eks. bladene fra lotusplanter og nogle insekters eksoskeleter har en lille struktur, der er designet til at afvise vand ved at fange luft. Denne ejendom, kaldet 'superhydrofobicitet' (eller super-vand-hadende), gør det muligt for vanddråber nemt at rulle af, bærer smudspartikler med sig."

At efterligne denne selvrensende mekanisme i naturen er relevant for en bred vifte af applikationer, såsom non-fouling, anti-isning, og antibakterielle belægninger. Imidlertid, konstruerede superhydrofobe overflader fejler ofte under forhold, der involverer høj temperatur, tryk, og fugtighed - såsom forruder til biler og fly og dampturbinekraftgeneratorer - når luften fanget i teksturen kan være tilbøjelig til at undslippe. Så forskere har ledt efter ordninger til at forbedre robustheden af ​​disse overflader ved at forsinke eller forhindre luftudslip.

Oprettelse af nanoskala teksturer

"I princippet, den høje robusthed, der kræves til flere applikationer, kunne opnås med teksturegenskaber så små som 10 nanometer (milliarddele af en meter), fordi det nødvendige tryk for væske til at infiltrere teksturen og tvinge luften ud stiger dramatisk med krympende teksturstørrelse, " forklarede Checco. "Men i praksis, det er svært at krympe overfladeteksturegenskaberne, mens man bevarer kontrollen over deres form."

"Til dette arbejde, vi har udviklet en fremstillingstilgang baseret på selvsamling af nanostrukturer, som lader os præcist kontrollere overfladeteksturgeometrien over så stort et område, som vi i princippet ønsker, selv så store som kvadratmeter, " sagde Checco.

Proceduren til at skabe disse superhydrofobe nanostrukturerede overflader, udviklet i samarbejde med forskere ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), drager fordel af "blokcopolymer"-materialers tendens til spontant selvorganisering gennem en mekanisme kendt som mikrofaseseparation. Selvsamlingsprocessen resulterer i polymer tynde film med meget ensartet, afstembare dimensioner på 20 nanometer eller mindre. Holdet brugte disse nanostrukturerede polymerfilm som skabeloner til at skabe nanoteksturerede overflader ved at kombinere med tyndfilmsbehandlingsmetoder, der er mere almindeligt anvendt til fremstilling af elektroniske enheder, for eksempel ved selektivt at ætse dele af overfladen væk for at skabe teksturerede designs.

"Denne nye tilgang udnytter vores tyndfilmsbehandlingsmetoder, for præcist at skræddersy overfladens nanoteksturgeometri gennem kontrol af procesbetingelser, " sagde Brookhaven-fysiker og medforfatter Charles Black.

Virkningen af ​​form

Forskerne skabte og testede nye materialer med forskellige nanoskala-teksturer - nogle dekoreret med små cylindriske søjler med lige sider og nogle med vinkelsidede kegler. De var også i stand til at kontrollere afstanden mellem disse funktioner i nanoskala for at opnå robust vandafvisende evne.

Efter at have belagt deres testmaterialer med en tynd film af vokslignende materiale, forskerne målte, hvordan vanddråber rullede af hver overflade, mens de blev vippet fra lodret til flade positioner, og sammenlignede adfærden med uteksturerede faste stoffer.

"Mens vi fremstillede flere forskellige nanoteksturer, der alle øgede vandafvisningen markant, visse former fungerede anderledes end andre, " sagde Brookhaven-fysiker og medforfatter Atikur Rahman. Den forbedrede vandafvisende evne var i overensstemmelse med tidligere undersøgelser, inklusive en tidligere af Checco og samarbejdspartnere, der viste, at luftbobler fanget i de teksturerede overflader tvinger vandet til at kugle op i dråber. Imidlertid, i den aktuelle undersøgelse, holdet viste yderligere, at kegleformede nanostrukturer er væsentligt bedre end cylindriske søjler til at tvinge vanddråber til at rulle af overfladen, dermed holde overfladerne tørre.

"I tilfældet med de cylindriske søjler, når dråbens kontaktlinje trækker sig tilbage på den teksturerede overflade, det kan blive fastgjort til nanoteksturen, efterlader et mikroskopisk væskelag på søjlernes flade toppe i stedet for et perfekt tørt underlag, " sagde Checco. "De kegleformede strukturer har mindre, spidse toppe, sandsynligvis forhindre denne effekt."

Den anden vigtige opdagelse var, at den vandafvisende evne af kegleformet nanoteksturering holdt op, selv når vanddråber blev sprøjtet på overfladen med en tryksprøjte. Et sådant tryk kan potentielt tvinge vand ind i nanostørrelserne mellem de koniske eller cylindriske søjler, fortrænge luftboblerne og ødelægge den vandafvisende effekt.

Forskerne overvågede de sprøjtende dråber ved hjælp af et højhastighedskamera, der var i stand til at fange 30, 000 billeder i sekundet. Til den kegleteksturerede overflade, "De sprøjtede dråber sprøjter og udstøder satellitdråber, der spredes radialt udad, mens den midterste del af den oprindelige dråbe flader ud, så viger tilbage, og hopper af overfladen, " sagde Checco. "Vi observerer ikke nogen fastgjorte dråber ved nedslagspunktet, efter at faldet er vendt tilbage, angiver, at overfladen forbliver vandafvisende under sammenstødet ved hastigheder på op til 10 meter i sekundet, som er hurtigere end hastigheden af ​​en faldende regndråbe."

Næste skridt

Teamet arbejder på at udvide denne teknik til andre materialer, herunder glas og plast, og på fabrikationsoverflader, der også er olieafvisende ved yderligere at justere funktionsformen.

De studerer også modstanden af ​​forskellige nanoteksturer over for vandindtrængning ved hjælp af intense stråler af røntgenstråler, der er tilgængelige på Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS). "Målet er at forstå kvantitativt, hvordan den tvungne væskeinfiltration afhænger af teksturstørrelsen og geometrien. Dette vil hjælpe designet af endnu mere modstandsdygtige superhydrofobe belægninger, " sagde Checco.

Den nanomønsterteknik, der anvendes i denne undersøgelse, muliggør også design af en lang række materialer med forskellig teksturering - og derfor forskellige vandafvisende egenskaber - på forskellige dele af en enkelt overflade. Denne tilgang kunne bruges, for eksempel, at fremstille kanaler i nanoskala med selvrensende egenskaber og egenskaber med lav væskefriktion til diagnostiske applikationer, såsom sansning af tilstedeværelsen af ​​DNA, proteiner, eller biotoksiner.

"Dette resultat er et glimrende eksempel på den type projekt, der kan udføres i samarbejde med DOE's Nanoscale Science Research Centers, " sagde Black. "Tidligere, vi har forfulgt lignende strukturer til et helt andet videnskabeligt formål. Vi er glade for at arbejde sammen med Antonio gennem CFN User-programmet for at hjælpe ham med at nå sine forskningsmål."