Nanotynde væskelignende belægninger kan bane vejen for en selvrensende verden

Forskere fra University of Sydney har observeret oliemolekyler, der bevarer deres 'væskelignende' egenskaber, når de er kemisk bundet som et ekstremt tyndt lag til faste overflader, hvilket åbner nye muligheder for at designe bæredygtige materialer med non-stick-egenskaber.

Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie , ledet af Dr. Isaac Gresham med medforfatterne professor Chiara Neto og honor-studerende Seamus Lilley fra School of Chemistry og Sydney Nano, Dr. Kaloian Koynov fra Max Planck Institute for Polymer Research og Dr. Andrew Nelson fra Australian Center for Neutronspredning.

De 'væskelignende' belægninger, som holdet undersøgte, kendt som glatte, kovalent fastgjorte væskeoverflader (SCALS), er fremstillet af silikoner eller polyethylenglycol - som begge nedbrydes til harmløse biprodukter i miljøet.

SCALS er anti-adhæsive uden at være afhængige af problematiske perfluorerede polymerer (PFAS), kendt som 'forever chemicals', der normalt bruges på grund af deres lave vedhæftningsegenskaber.

"Disse væskelignende lag er ekstremt glatte for de fleste forurenende stoffer:de udskiller væskedråber uden besvær, hvilket er fantastisk til at øge effektiviteten af ​​varmeoverførsel og til at opsamle vand, de forhindrer opbygning af kalk og modstår vedhæftning af is og bakterier, bringer os et skridt tættere på en selvrensende verden," sagde professor Neto, der leder Nano-Interfaces Laboratory ved University of Sydney.

"Vi kan korrelere disse lags enestående ydeevne med deres nanostruktur - hvilket betyder, at vi nu ved, hvad vi sigter efter, når vi designer glatte overflader, hvilket gør os i stand til at gøre dem endnu mere effektive og give levedygtige alternativer til fluorerede belægninger."

De glatte nano-tynde lag, mellem to og fem milliardtedele af en meter tykke eller 10.000 gange tyndere end et menneskehår, består af oliemolekyler, der kun er hundrede atomer lange.

"En vanddråbe glider uden friktion over en tyk oliefilm, men hvis du helt fjerner oliefilmen, f.eks. ved at bruge sæbe, vil de fleste vanddråber klæbe til faste overflader," sagde professor Neto.

"Hvor tyndt kan olielaget være på en fast overflade, før det ikke længere er 'væskelignende'? På nanoskalaen bliver definitionen af ​​en væske noget glat."

For at afsløre hemmelighederne bag deres ultratynde flydende belægninger brugte holdet to teknikker til at 'se' overfladelagene.

Den første teknik er enkelt-molekyle kraftspektroskopi, som måler længden af ​​individuelle molekyler og den kraft, der kræves for at strække eller komprimere dem.

Den anden er neutronreflektometri, som gør det muligt for forskere at måle længden og podningstætheden af ​​molekyler.

"Vi fandt ud af, at hvis de flydende molekyler var for korte og sparsomt podet på den faste overflade, dækkede de ikke tilstrækkeligt den underliggende faste overflade og forblev klæbrige," sagde professor Neto.

"På den anden side, hvis molekyler var for lange eller podet for tæt, havde de ikke tilstrækkelig fleksibilitet til at fungere som en væske."

"For at SCALS skulle være effektive, skulle de være i en Goldilocks-zone, hvor de hverken er for korte eller for lange eller pakket for løst eller for stramt."

For definitivt at vise, at disse lags exceptionelle egenskaber skyldes deres 'væskelignende' tilstand, målte holdet den hastighed, som et lille probemolekyle diffunderede inde i laget.

Molekyler kan diffundere gennem væsker, men ikke gennem faste stoffer. Professor Neto sagde, at den hurtigste molekylære diffusion blev observeret i Goldilocks-zonen, hvor oliemolekylerne har den helt rigtige længde og podet med moderat tæthed.

Flere oplysninger: Isaac Gresham et al, Nanostructure Explains the Behavior of Glade Covalently Attached Liquid Surfaces, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308008

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition , Angewandte Chemie

Leveret af University of Sydney