science >> Wetenschap >  >> Chemie

Een nieuw salvinia-achtig glad oppervlak

Ontwerp van het Salvinia-achtige gladde oppervlak. (a) Salvinia molesta drijvend blad waarop waterdruppel een stabiele Cassie-toestand vertoont. Hoewel het rationele ontwerp van een elastische eierklopper-vormige microstructuur met oppervlakte-energiegradiënt in verticale richting de contactlijn zou kunnen stabiliseren om impalement te voorkomen, een dergelijke structuur heeft een sterke hechting vanwege de hydrofiele pleisters. (b) Een op een waterkruik geïnspireerd glad oppervlak met moleculair glad smeermiddel gefixeerd op de bovenkant van de microstructuur dat snelle druppel- of vloeistoftransport mogelijk maakt. (c) De combinatie vormt de SSS waarop waterdruppels een gladde stabiele Cassie-toestand vertonen. Het zwart, paars, en rode ononderbroken pijlen vertegenwoordigen de richtingen van druk (P), zwaartekracht (g) en de snelheid van druppeltransport (V), respectievelijk. Krediet:©Science China Press

Superhydrofobe oppervlakken worden veel gebruikt in veel industriële omgevingen, die voornamelijk bestaan ​​uit ruwe vaste uitsteeksels die lucht insluiten om het vloeistof/vaste gebied te minimaliseren. De stabiliteit van de superhydrofobe toestand bevordert een relatief kleine afstand tussen uitsteeksels. Echter, dit verhoogt op zijn beurt de laterale adhesiekracht die de mobiliteit van druppels vertraagt. Dus, de gelijktijdige optimalisatie van zowel de stabiliteit van de Cassie-toestand als het minimaliseren van de laterale adhesiekracht blijft een grote uitdaging voor SHPOS met hoge prestaties.

In de natuur, Salvinia-bladeren vertonen een langdurige Cassie-staat onder water, dankzij de hydrofobe eierklopper-achtige trichomen met hydrofiele pinnen aan de bovenkant. De hydrofiele tot hydrofobe grens pint de water/lucht contactlijn in verticale richting. Echter, het pinning-effect vermindert ook de mobiliteit van de contactlijn in horizontale richting. In een andere onderzoekslijn gladde, met vloeistof doordrenkte poreuze oppervlakken (SLIPS) geïnspireerd op de Nepenthes-bekerplanten, zijn aangetoond als veelbelovende substraten waar een lage laterale adhesiekracht voor druppels van elke vloeistof vereist is. Een druppel op een met vloeistof doordrenkt glad oppervlak, echter, toont zowel een kleinere contacthoek als de uitwerpsnelheid in vergelijking met de SHPOS. Dus, om een ​​structuur te krijgen met zowel stabiliteit van de Cassie-staat als minimalisering van de laterale adhesiekracht, we moeten SHPOS en SLIPS combineren. Echter, de introductie van een stabiel luchtkussen tussen uitsteeksels met een glad oppervlak is een uitdaging vanwege de lage oppervlaktespanning van het smeermiddel.

Als antwoord op deze uitdaging, onlangs, geïnspireerd op het Salvinia blad met stabiele water/lucht contactlijn en Nepenthes bekerplanten met mobiele water/lucht contactlijn, het onderzoeksteam voor materiaaloppervlakken onder leiding van professor Xu Deng van de University of Electronic Science and Technology of China (UESTC) werkte samen met professor Periklis Papadopoulos (University of Ioannina) en stelde een Salvinia-achtig glad oppervlak (SSS) voor. De SSS bestaat uit een met smeermiddel doordrenkte, verknoopte polydimethylsiloxaan (PDMS) laag op de pilaren met hydrofobe zijwanden. Het smeermiddel creëert een extra energiebarrière, tegen quasi-statische en dynamische palen. Verder, de olielaag op de bovenkant van de structuur werkt ook als een smeermiddel dat de hechting vermindert en de druppelmobiliteit aanzienlijk verbetert. Daarom, druppels op de SSS tonen stabiele gladde Cassie-staat, het vermijden van het sterke speldeneffect op de hydrofiele velden van de Salvinia-plant. Vergeleken met een stuurvlak met dezelfde structuur zonder smeermiddel, de SSS vertoont verhoogde stabiliteit tegen druk en impact, de verbeterde laterale mobiliteit van waterdruppels en de verminderde hydrodynamische weerstand. Dankzij de eenvoudige fabricage en verbeterde prestaties, de SSS zal nuttig zijn bij het transport van viskeuze vloeistoffen, pijpleidingen en microfluïdische apparaten.