Materialentechnologieën zijn bedoeld om de bevochtigbaarheid en vloeistofafstoting van materiaaloppervlakken te beheersen voor diverse toepassingen in en buiten het gebied van materiaalkunde. In een recent rapport over wetenschappelijke vooruitgang , Yue Liu en een team van onderzoekers van de afdelingen Materials Science and Engineering, en Chemistry and Molecular Engineering in China hebben een algemeen concept ontwikkeld om metallische poreuze oppervlakken te ontwikkelen met uitzonderlijk krachtige, bevochtigbaarheid-switch mogelijkheden. Om de nieuwe oppervlakken te ontwerpen, ze gebruikten een uiterst eenvoudige, elektrochemisch depositieproces in één stap. Het team maakte de bevochtigingsschakelaar mogelijk en manipuleerde vloeistofafstotende eigenschappen door de oriëntatie van dodecylsulfaationen te veranderen die ionisch waren gebonden aan poreuze metalen membranen tijdens elektrodepositie. De resulterende oppervlakken met instelbare bevochtigbaarheid kunnen op verzoek diverse smeermiddelen in de poriën vasthouden om met vloeistof doordrenkte poreuze oppervlakken te creëren die zijn aangepast voor een verscheidenheid aan vloeistofafstotende eigenschappen. Het onderzoeksteam demonstreerde de toepassingen van met vloeistof doordrenkte poreuze membranen voor encryptie, om de druppeloverdracht te regelen en voor het oogsten van water. Aanvullend, de materiaalwetenschappers bedekten het zilveren poreuze membraan op een koperen gaas om een ​​slimme, antifouling vloeistofpoort om olie of water door te laten op aanvraag.

In de materiaalkunde, onderzoekers streven ernaar om omkeerbaar schakelbare grensvlakeigenschappen te ontwikkelen voor diverse toepassingen van microfluïdische systemen, waterwinning en transport, evenals scheidingstekens, sensoren en medicijnafgiftesystemen. Materiaalwetenschappers hebben dergelijke schakelbare bevochtigbare oppervlakken uitgebreid bestudeerd die worden bestuurd via externe stimuli, waaronder licht, PH waarde, thermische en elektrochemische behandeling, tegenionen en elektrische potentialen. In het huidige werk, Liu et al. meldde een uiterst eenvoudige, een-staps elektrodepositiebenadering om poreuze metalen oppervlakken te ontwerpen met robuuste bevochtigingsschakelcapaciteiten gekoppeld aan uitstekende vloeistofafstotende eigenschappen die verschilden van eerder gerapporteerde mechanismen om een ​​nieuwe bevochtigingsschakelaar te ontwikkelen.

Technische omkeerbare bevochtigbaarheid op elektrolytisch gedeponeerde poreuze oppervlakken

Liu et al. moduleerde de oriëntatie van dodecylsulfaationen die ionisch gebonden waren aan het poreuze membraan tijdens elektrodepositie om reversibel afstembare oppervlaktebevochtigbaarheid vast te stellen. Bijvoorbeeld, wanneer de dodecylketens naar buiten wijzen, het membraan behield superhydrofobiciteit (water haat de natuur). Vervolgens gebruikten de onderzoekers elektrische potentialen om de bevochtigbaarheid over te zetten van superhydrofobe (waterhatende) naar de superhydrofiele (waterminnende) toestand. Ze bevestigden veranderingen in de oriëntatie van het ionische oppervlak met behulp van oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing (SERS) -metingen. Gebaseerd op de ionische oriëntatie-geïnduceerde evolutie van elektrolytisch gedeponeerde poreuze oppervlakken, het onderzoeksteam heeft verschillende smeermiddelen stevig in de poriën gevangen om verschillende "gladde, met vloeistof doordrenkte poreuze oppervlakken (SLIPS)" te vormen voor meerdere toepassingen.

De nieuwe techniek zal een aanzienlijk potentieel hebben in diverse thermochemische toepassingen vanwege zijn technische eenvoud, veelzijdigheid en lage kosten. Om de omkeerbare bevochtigingsschakelaar te vormen, de onderzoekers brachten eerst een zilverporeus membraan aan op een met goud bedekte siliciumwafel in een elektrolytoplossing die zilvernitraat en natriumdodecylsulfaat (SDS) bevat. As the timeline of electrodeposition increased, the membrane roughness gradually increased, after four minutes, the resulting membrane was superhydrophillic. With the assistance of organic liquids as well as with water containing a minute amount of ethanol (one percent in volume), the scientists could induce the transition of wettability from superhydrophillic (or superoleophillic; water loving) to superhydrophobic (water hating). The instant transition indicated high sensitivity of the membrane toward organic reagents. The water contact angle also increased (hydrophobic character) when they simply exposed the silver porous membrane to an ethanol atmosphere (i.e organic reagent).

Understanding the mechanism of wettability transition

The research team conduced systematical studies to reveal the underlying mechanisms of wettability transition, first by using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for surface analysis. They proved the existence of SDS ions within the silver porous membrane to form a monolayer structure similar to a previously well-studied surface. Liu et al. hypothesized that hydrophobic dodecyl chain tails hid inside the pores of the freshly prepared silver porous membrane– prompting the silver membrane to initially demonstrate hydrophilicity due to the exposed, hydrophilic sulfate heads.

When the superhydrophillic surface then encountered organic reagents such as ethanol, the hidden dodecyl chain tails changed orientation to face the organic liquids due to their mutually strong affinity. Due to challenges of proving the changing orientation of the dodecyl chains on the rough porous membranes using conventional scanning tunneling microscopy or atomic force microscopy, the team used SERS. The SERS intensity, which mapped the interactions between dodecyl ionic chains and silver sulfate surface, confirmed the transition that facilitated the membrane wettability switch. When they removed the dodecyl ions using oxygen plasma treatment, they eliminated the wettability switch from the silver porous membrane.

Applications of the technique—encryption and liquid transfer

Having developed a new concept to engineer reversible wettability, the research team developed a variety of applications such as information encryption, droplet transfer, liquid-repellence, fog harvesting, and smart liquid gate as well as oil/water separation. For information encryption, Liu et al. dragged a pencil that behaved as a cathode electrode immersed in a droplet, upon the superhydrophobic surface connected to the positive pole of the power supply to write the letters "ZJU." The surface then transformed to maintain hydrophilicity and when the scientists exposed the surface to water or steam, the encrypted invisible words were revealed due to surface attachment of water droplets. They could change the speed of encryption and remove the hydrophilic track using ethanol to recycle the surface multiple times for reuse. By changing surface properties, they could also induce conditions of hydrophobic encryption. The research team then made use of strong surface adhesion to transfer water droplets across from superhydrophillic surfaces using ethanol-treated silver porous membranes, where droplets adhered on top of the silver membrane for easy transfer.

Harnessing the liquid-repellent properties for additional applications

Daarna, the research team designed silver porous membranes to change from superhydrophillic SLIPS1 (slippery liquid-infused porous surfaces) to superhydrophobic SLIPS2 to form a repeatable cycle between SLIP1 and SLIP2 surfaces for a desired timeframe. The work described here were a first in study to engineer such complex wetting and liquid-repellent properties with potential for dynamic adjustment to match diverse lubricants. Aanvullend, bioinspired by the Namib desert beetle that used patterned hydrophilic and hydrophobic elytra (hardened forewing) to retain or remove water droplets, Liu et al. patterned stripes of SLIP2 for excellent water repellence. They engineered surfaces to adhere water molecules for nucleation on hydrophilic surfaces upon exposure to water mist for outstanding fog harvesting efficiency.

Volgende, the scientists electrochemically coated the silver porous membrane onto a copper mesh for applications as a smart liquid gate. While the original superhydrophobicity prohibited the passage of water, when they applied a negative electric potential to the copper mesh, the surfaces became superhydrophilic for the immediate passage of water. The surface property could be interchangeably engineered by exposure to ethanol vapor, for reuse. Liu et al. similarly engineered silver-coated copper meshes for selective water/oil separation, which differed from existing prototypes for efficient oil and water isolation and transfer.

Op deze manier, Yue Liu and colleagues developed a general concept to engineer metallic coatings with switchable wettability liquid repellence using a simple, one-step electrodeposition method. They harnessed the changing orientation of dodecyl sulfate ions ionically bonded to the electrodeposited porous metallic membrane, with organic reagent treatment or an external electric potential to facilitate the wettability switch. They recycled the wettability transition more than 10 times in the study, while forming diverse SLIPS for a variety of applications. The extremely simple and cost-effective materials engineering approach to form switchable wettability and liquid-repellant materials surfaces will have promising applications in liquid/thermal-related fields within and beyond materials science.

© 2019 Wetenschap X Netwerk