Nyt materiale kan skifte stiction og befugtning

TU Wien (Wien), KU Leuven og universitetet i Zürich har opdaget en robust overflade, hvis klæbende og befugtende egenskaber kan skiftes ved hjælp af elektricitet. Dette bemærkelsesværdige resultat findes på forsiden af Natur magasin.

Når regnen falder på et lotusblad, bladet bliver ikke vådt. Takket være dens særlige struktur, vanddråberne ruller af uden at væde overfladen. Kunstige materialer kan gøres vandafvisende, også. Det er, imidlertid, ekstremt udfordrende at fremstille en overflade med omskiftelig befugtning. Nu, et forskerhold fra TU Wien, KU Leuven og University of Zürich har formået at manipulere en overflade af et enkelt lag bornitrid på en sådan måde, at den kan skiftes frem og tilbage mellem tilstande med høj og lav befugtning og vedhæftning.

Sekskanter laver bølger

"En af de mest interessante fysiske egenskaber ved en overflade er dens stiction eller statiske friktion, " siger Stijn Mertens (Institut of Applied Physics ved Wiens teknologiske universitet, og tilknyttet KU Leuven i Belgien). "Denne kraft skal overvindes for at en genstand på overfladen begynder at glide."

Overfladens nanostruktur bestemmer i høj grad dens stiktion:detaljerne i kontakten mellem overfladen og et andet objekt (f.eks. en dråbe væske) afhænger af dens atomers geometri og andre egenskaber. Dette er igen afgørende for vedhæftning, stikning og befugtning. Forholdet mellem stiction og befugtning, imidlertid, er indtil videre kun dårligt forstået.

"Ligesom materialet grafen kun består af et lag af kulstofatomer, vores bornitrid - som indeholder lige så mange bor som nitrogenatomer - har en tykkelse på kun ét atomlag, " forklarer Thomas Greber fra Physics Institute ved Universitetet i Zürich. Dette ultratynde lag kan dyrkes på en rhodium-enkeltkrystal. Atomerne på rhodiumoverfladen og i bornitridet danner et sekskantet mønster, men afstandene mellem atomerne i de to materialer er forskellige. Tretten atomer i bornitrid tager samme plads som tolv rhodiumatomer, så de to krystaller ikke passer perfekt sammen. På grund af denne uoverensstemmelse, bornitrid sekskanterne skal bøjes, de fremstår som en frossen bølge med en bølgelængde på 3,2 nanometer og en højde på cirka 0,1 nanometer.

"Netop denne todimensionelle nanobølge påvirker befugtningen af ​​overfladen med vand, "siger Stijn Mertens. Under alle omstændigheder, bornitridoverbygningen kan gøres flad med et simpelt trick:ved at lægge materialet i syre og anvende en elektrisk spænding, brintatomer kryber ind under bornitridlaget og ændrer bindingen mellem nitrogen og rhodium. Dette gør bornitrid fladt. Pludselig ændres vedhæftningen af ​​en vanddråbe på overfladen dramatisk - selvom faldet er 100.000 gange større end de små bølger i bornitridet. Hvis spændingen falder, denne effekt er vendt:"Vi kan skifte overflade igen og igen mellem disse to tilstande, " forklarer Stijn Mertens.

Dråbemålemaskinen

For at undersøge befugtningen af ​​overfladen og påføre spændingen på samme tid, et instrument blev bygget specielt til dette formål, hvor en væskedråbe bringes på overfladen gennem et meget tyndt glasrør. Dråben gøres større og mindre, samtidig med at dens form registreres. Om dråbeformen er flad eller mere afrundet afhænger af overfladens egenskaber.

Koncepter til at skifte befugtning af en overflade frem og tilbage har eksisteret i et stykke tid. For eksempel, organiske molekyler, der ændrer deres form med lys af en bestemt farve, kan fastgøres til overfladen. Imidlertid, sådanne molekyler er meget mere komplekse og skrøbelige end de materialer, der er undersøgt her. "Vores overflade består kun af et enkelt lag atomer, er fuldstændig uorganisk og ændrer sig ikke, selvom vi opvarmer det i vakuum til 1000 °C, " er enige Stijn Mertens og Thomas Greber. "Det betyder, at dette materiale også kan bruges til applikationer, hvor organiske molekyler længe ville blive ødelagt, lige fra dagligdagen til rumrejser."