Wilt u een oppervlak dat niet nat wordt? Pak wat schuurpapier.

Onderzoekers van de Rice University hebben een eenvoudige methode ontwikkeld om oppervlakken superhydrofoob te maken - dat wil zeggen zeer waterafstotend - zonder de chemicaliën die vaak in dergelijke processen worden gebruikt.

Hun techniek omvat schuurpapier, een selectie van poeders en wat elleboogvet.

De laboratoria van Rice-professoren C. Fred Higgs III en James Tour, co-corresponderende auteurs van een artikel in het American Chemical Society-tijdschrift ACS Applied Materials and Interfaces , toonde aan dat het schuren van een oppervlak het vermogen vergroot om water af te voeren zonder nat te worden. Maar tegelijkertijd vermalen in een poeder geeft het hydrofobe superkrachten.

Beter nog, hun superhydrofobe oppervlakken hebben ook uitstekende anti-ijsvormingseigenschappen. Ze ontdekten dat het water 2,6 keer langer nodig had om te bevriezen op behandelde oppervlakken in vergelijking met onbehandelde materialen. Ze merkten ook dat ijs 40% van zijn hechtkracht verloor, zelfs bij temperaturen tot min 31 graden Fahrenheit.

Hoe goed een oppervlak water absorbeert of afstoot, kan worden gemeten door de contacthoek van druppeltjes die zich daar neerslaan te analyseren. Om superhydrofoob te zijn, moet een materiaal een watercontacthoek hebben - de hoek waaronder het wateroppervlak het oppervlak van het materiaal raakt - groter dan 150 graden. Hoe groter de beading, hoe groter de hoek. Een hoek van nul graden is een plas, terwijl een maximale hoek van 180 graden een bol is die net het oppervlak raakt.

Om hun superstatus te bereiken, hebben hydrofobe materialen een lage oppervlakte-energie en een ruw oppervlak. De beste materialen van het Rice-team vertoonden een contacthoek van ongeveer 164 graden.

Higgs, wiens laboratorium gespecialiseerd is in tribologie, de studie van oppervlakken in glijdend contact, zei dat bepaalde soorten schuurpapier oppervlakteruwheid kunnen bieden die het gewenste waterafstotende of hydrofobe gedrag bevordert.

"Het idee van de Tour-groep om tijdens het inzandproces geselecteerde poedermaterialen tussen de wrijfoppervlakken te introduceren, betekent echter dat er een tribofilm wordt gevormd," zei Higgs. "Dat geeft de toegevoegde bonus van het functionaliseren van het oppervlak om water steeds meer af te stoten."

Een tribofilm vormt zich in een chemische reactie op oppervlakken die tegen elkaar schuiven. Het oppervlak van de zuiger van een motor is een goed voorbeeld, zei hij.

Higgs zei dat schuren zachtere oppervlakken opruwt en de poeders laat hechten door van der Waals-krachten. "Deze krachten zijn het grootst wanneer oppervlakken in nauw contact komen", zei hij. "Daarom kunnen poederdeeltjes hechten, zelfs nadat het inzandproces is voltooid."

Structurele veranderingen en massa- en elektronenoverdracht lijken de oppervlakte-energie te verlagen van de materialen die, vóór de behandeling, al licht hydrofoob of hydrofiel waren, aldus de onderzoekers.

Het Rice-team paste de techniek toe op verschillende oppervlakken (teflon, polyethyleen, polypropyleen, polystyreen, polyvinylchloride en polydimethylsiloxaan) met een verscheidenheid aan poederadditieven. Deze omvatten laser-geïnduceerde grafeenvezel, turbostratisch flitsgrafeen, molybdeendisulfide, teflon en boornitride. Er werd een verscheidenheid aan schuurpapier van aluminiumoxide gebruikt, van 180 tot 2.000 grit.

De resistente materialen bleken robuust te zijn, aangezien noch verwarming tot 130 graden Celsius (266 graden Fahrenheit) noch 18 maanden onder de hete zon van Houston ze degradeerde. Door transparante tape op het oppervlak te plakken en 100 keer af te pellen, werden ze ook niet aangetast. Maar zelfs toen de materialen begonnen te falen, ontdekten de laboratoria dat het opnieuw schuren ervan hun hydrofobiciteit gemakkelijk kon opfrissen.

Het team ontdekte ook dat door de inzandomstandigheden en de poedertoevoegingen te veranderen, materialen ook hydrofiel of waterabsorberend kunnen worden gemaakt.

Tour zei dat het vereenvoudigen van de productie van superhydrofobe en anti-ijsvormingsmaterialen de interesse van de industrie zou moeten wekken. "Het is moeilijk om deze materialen te maken," zei hij. "Superhydrofobe oppervlakken laten geen waterophoping toe. Het water parelt en rolt er meteen af ​​als er zelfs maar de geringste hoek of zachte wind is.

"Nu kan bijna elk oppervlak in enkele seconden superhydrofoob worden gemaakt", zei Tour. "De poeders kunnen zo simpel zijn als teflon of molybdeendisulfide, die beide gemakkelijk verkrijgbaar zijn, of nieuwere grafeenmaterialen. Veel industrieën zouden hiervan kunnen profiteren, van bouwers van vliegtuigen en boten tot wolkenkrabbers, waar een lage ijshechting essentieel is. "

"Vliegtuigfabrikanten willen geen ijsvorming op hun vleugels, kapiteins van schepen willen niet dat ze door zeewater worden afgeremd en biomedische apparaten moeten biofouling vermijden, waarbij bacteriën zich op natte oppervlakken ophopen," zei Higgs. "Robuuste, duurzame, superhydrofobe oppervlakken geproduceerd met deze eenstaps, inzandmethode kunnen veel van deze problemen verlichten.

"Een beperking van andere technieken om hydrofobe oppervlakken te genereren, is dat ze niet opschalen naar grote oppervlakken zoals die op vliegtuigen en schepen", zei hij. "Eenvoudige toepassingstechnieken zoals hier ontwikkeld zouden schaalbaar moeten zijn."

Rijst-afgestudeerde student Weiyin Chen, mede-hoofdauteur van het nieuwe artikel, zei dat het Tour-lab zijn inzandtechniek ook heeft toegepast op verschillende metalen oppervlakken, waaronder, zoals gerapporteerd in een ander recent papier, lithium- en natriumfolies voor metalen batterijen.

"De spontane chemische reacties veroorzaken de vorming van tribofilms, in dit geval de kunstmatige vaste elektrolyt-interfase," zei Chen. "De gemodificeerde metalen kunnen worden gebruikt als anodes voor oplaadbare metaalbatterijen." + Verder verkennen

Gas geeft laser-geïnduceerde grafeen super eigenschappen