Als het gaat om het ontwerpen van extreem waterafstotende oppervlakken, vorm en grootte zijn belangrijk. Dat is de bevinding van een groep wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, die de effecten onderzochten van anders gevormde, texturen op nanoschaal op het vermogen van een materiaal om waterdruppels te dwingen af ​​te rollen zonder het oppervlak nat te maken. Deze bevindingen en de methoden die zijn gebruikt om dergelijke materialen te fabriceren, zijn op 21 oktober online gepubliceerd 2013, in Geavanceerde materialen -zijn zeer relevant voor een breed scala aan toepassingen waar waterbestendigheid belangrijk is, inclusief energieopwekking en transport.

"Het idee dat microscopisch kleine texturen een materiaal waterafstotende eigenschappen kunnen geven, vindt zijn oorsprong in de natuur, " legde Brookhaven-natuurkundige en hoofdauteur Antonio Checco uit. "Bijvoorbeeld, de bladeren van lotusplanten en de exoskeletten van sommige insecten hebben een kleine textuur die is ontworpen om water af te stoten door lucht op te sluiten. Dit pand, genaamd 'superhydrofobiciteit' (of super-water-haten), laat waterdruppels gemakkelijk afrollen, vuildeeltjes met zich meedragen."

Het nabootsen van dit zelfreinigende mechanisme van de natuur is relevant voor een breed scala aan toepassingen, zoals non-fouling, anti-ijsvorming, en antibacteriële coatings. Echter, ontworpen superhydrofobe oppervlakken falen vaak onder omstandigheden met hoge temperatuur, druk, en vochtigheid - zoals voorruiten van auto's en vliegtuigen en stroomgeneratoren van stoomturbines - wanneer de lucht die in de textuur vastzit, gemakkelijk kan ontsnappen. Daarom hebben wetenschappers gezocht naar schema's om de robuustheid van deze oppervlakken te verbeteren door het ontsnappen van lucht te vertragen of te voorkomen.

Structuren op nanoschaal maken

"In principe, de hoge robuustheid die nodig is voor verschillende toepassingen kan worden bereikt met textuurkenmerken van slechts 10 nanometer (miljardste van een meter), omdat de druk die nodig is voor vloeistof om de textuur te infiltreren en de lucht naar buiten te dwingen dramatisch toeneemt met de krimpende textuurgrootte, " legde Checco uit. "Maar in de praktijk, het is moeilijk om de oppervlaktestructuurkenmerken te verkleinen terwijl de controle over hun vorm behouden blijft."

"Voor dit werk we hebben een fabricagebenadering ontwikkeld op basis van zelfassemblage van nanostructuren, waarmee we de geometrie van de oppervlaktetextuur nauwkeurig kunnen regelen over een zo groot gebied als we willen, in principe, zelfs zo groot als vierkante meters, ' zei Checo.

De procedure voor het maken van deze superhydrofobe nanogestructureerde oppervlakken, ontwikkeld in samenwerking met wetenschappers van Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), maakt gebruik van de neiging van "blokcopolymeer"-materialen om spontaan zichzelf te organiseren via een mechanisme dat bekend staat als microfasescheiding. Het zelfassemblageproces resulteert in dunne polymeerfilms met zeer uniforme, afstembare afmetingen van 20 nanometer of kleiner. Het team gebruikte deze nanogestructureerde polymeerfilms als sjablonen voor het maken van nanogestructureerde oppervlakken door te combineren met dunne-filmverwerkingsmethoden die vaker worden gebruikt bij het vervaardigen van elektronische apparaten, bijvoorbeeld door selectief delen van het oppervlak weg te etsen om structuurmotieven te creëren.

"Deze nieuwe aanpak maakt gebruik van onze dunnefilmverwerkingsmethoden, om de oppervlakte-nanotextuurgeometrie nauwkeurig aan te passen door controle van de verwerkingsomstandigheden, " zei Brookhaven-natuurkundige en co-auteur Charles Black.

Het effect van vorm

De wetenschappers creëerden en testten nieuwe materialen met verschillende texturen op nanoschaal - sommige versierd met kleine rechte cilindrische pilaren en sommige met hoekige kegels. Ze waren ook in staat om de afstand tussen deze nanoschaalkenmerken te regelen om een ​​robuuste waterafstotendheid te bereiken.

Nadat ze hun testmaterialen hadden gecoat met een dunne film van wasachtig materiaal, de wetenschappers maten hoe waterdruppels van elk oppervlak rolden terwijl ze van verticale naar vlakke posities werden gekanteld en vergeleken het gedrag met dat van ongestructureerde vaste stoffen.

"Terwijl we verschillende nanotexturen hebben gefabriceerd die allemaal de waterafstotendheid aanzienlijk verhoogden, bepaalde vormen presteerden anders dan andere, " zei Brookhaven-natuurkundige en co-auteur Atikur Rahman. De verbeterde waterafstotendheid was consistent met eerdere studies, waaronder een eerdere van Checco en medewerkers die aantoonde dat luchtbellen die vastzitten in de gestructureerde oppervlakken, het water dwingen om in druppels op te rollen. Echter, in de huidige studie, het team toonde verder aan dat kegelvormige nanostructuren significant beter zijn dan cilindrische pilaren bij het dwingen van waterdruppels om van het oppervlak te rollen, waardoor oppervlakken droog blijven.

"In het geval van de cilindrische pilaren, als de contactlijn van de druppel zich terugtrekt op het getextureerde oppervlak, het kan vast komen te zitten aan de nanotextuur, het achterlaten van een microscopisch kleine vloeibare laag op de platte toppen van de pilaren in plaats van een perfect droog substraat, " zei Checco. "De kegelvormige structuren hebben kleinere, puntige toppen, waarschijnlijk voorkomen van dit effect."

De andere belangrijke bevinding was dat het waterafstotende vermogen van kegelvormige nanotexturen stand hield, zelfs wanneer waterdruppels op het oppervlak werden gesproeid met een drukspuit. Zo'n druk zou mogelijk water in de pokdalige nanodeeltjes tussen de conische of cilindrische pilaren kunnen dwingen, het verdringen van de luchtbellen en het vernietigen van het waterafstotende effect.

De wetenschappers volgden de opspattende druppels met behulp van een hogesnelheidscamera die 30, 000 beelden per seconde. Voor het kegelvormige oppervlak, "De gespoten druppels spatten en werpen satellietdruppels uit die zich radiaal naar buiten verspreiden, terwijl het middelste deel van de oorspronkelijke druppel plat wordt, dan deinst terug, en stuitert van het oppervlak, "Zei Checco. "We nemen geen vastgezette druppels waar op het inslagpunt nadat de druppel is teruggekaatst, wat aangeeft dat het oppervlak waterafstotend blijft tijdens de impact met snelheden tot 10 meter per seconde, die sneller is dan de snelheid van een vallende regendruppel."

Volgende stappen

Het team werkt eraan om deze techniek uit te breiden naar andere materialen, inclusief glas en kunststof, en op het vervaardigen van oppervlakken die ook olieafstotend zijn door de kenmerkende vorm verder aan te passen.

Ze bestuderen ook de weerstand van verschillende nanotexturen tegen het binnendringen van water met behulp van intense röntgenstralen die beschikbaar zijn bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS). "Het doel is om kwantitatief te begrijpen hoe de geforceerde vloeistofinfiltratie afhangt van de textuurgrootte en geometrie. Dit zal het ontwerp van nog veerkrachtiger superhydrofobe coatings helpen, ' zei Checo.

De nanopatroontechniek die in deze studie wordt gebruikt, maakt het ook mogelijk om een ​​grote verscheidenheid aan materialen met verschillende texturen - en dus verschillende waterafstotende eigenschappen - op verschillende delen van een enkel oppervlak te ontwerpen. Deze aanpak kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om kanalen op nanoschaal te fabriceren met zelfreinigende en lage vloeistofwrijvingseigenschappen voor diagnostische toepassingen zoals het detecteren van de aanwezigheid van DNA, eiwitten, of biotoxinen.

"Dit resultaat is een uitstekend voorbeeld van het type project dat kan worden uitgevoerd in samenwerking met de DOE's Nanoscale Science Research Centers, "zei Black. "Vroeger, we hebben soortgelijke structuren nagestreefd voor een heel ander wetenschappelijk doel. We werken graag met Antonio samen via het CFN User-programma om hem te helpen zijn onderzoeksdoelen te bereiken."