Onderzoekers van de Universiteit van Sydney hebben waargenomen dat oliemoleculen hun 'vloeistofachtige' eigenschappen behouden wanneer ze chemisch als een extreem dunne laag aan vaste oppervlakken worden gehecht, wat nieuwe mogelijkheden opent voor het ontwerpen van duurzame materialen met antiaanbakeigenschappen.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie , geleid door Dr. Isaac Gresham met co-auteurs Professor Chiara Neto en honoursstudent Seamus Lilley van de School of Chemistry en Sydney Nano, Dr. Kaloian Koynov van het Max Planck Institute for Polymer Research en Dr. Andrew Nelson van het Australian Centre for Neutronenverstrooiing.

De 'vloeistofachtige' coatings die het team heeft bestudeerd, bekend als gladde covalently-attached liquid Surfaces (SCALS), zijn gemaakt van siliconen of polyethyleenglycol, die beide in het milieu worden afgebroken tot onschadelijke bijproducten.

SCALS zijn antikleefmiddelen zonder afhankelijk te zijn van problematische geperfluoreerde polymeren (PFAS), bekend als 'forever chemicaliën' die meestal worden gebruikt vanwege hun lage hechtingseigenschappen.

"Deze vloeistofachtige lagen zijn extreem glad voor de meeste verontreinigingen:ze werpen moeiteloos vloeistofdruppels af, wat geweldig is om de efficiëntie van de warmteoverdracht te vergroten en voor het verzamelen van water, ze voorkomen de vorming van kalkaanslag en zijn bestand tegen de hechting van ijs en bacteriën. Het brengt ons een stap dichter bij een zelfreinigende wereld", zegt professor Neto, hoofd van het Nano-Interfaces Laboratory aan de Universiteit van Sydney.

"We kunnen de uitzonderlijke prestaties van deze lagen correleren met hun nanostructuur, wat betekent dat we nu weten waar we naar streven als we gladde oppervlakken ontwerpen, waardoor we ze nog effectiever kunnen maken en haalbare alternatieven kunnen bieden voor gefluoreerde coatings."

De gladde nanodunne lagen, tussen de twee en vijf miljardste van een meter dik of 10.000 keer dunner dan een mensenhaar, bestaan ​​uit oliemoleculen die slechts honderd atomen lang zijn.

"Een waterdruppel glijdt zonder wrijving over een dikke oliefilm, maar als je de oliefilm volledig verwijdert, bijvoorbeeld door zeep te gebruiken, zullen de meeste waterdruppels aan vaste oppervlakken blijven kleven", aldus professor Neto.

"Hoe dun kan de olielaag op een vast oppervlak zijn voordat deze niet langer 'vloeistofachtig' is? Op nanoschaal wordt de definitie van een vloeistof enigszins glad."

Om de geheimen van hun ultradunne vloeibare coatings te ontrafelen, gebruikte het team twee technieken om de oppervlaktelagen te 'zien'.

De eerste techniek is krachtspectroscopie met één molecuul, waarbij de lengte van individuele moleculen wordt gemeten, evenals de kracht die nodig is om ze uit te rekken of samen te drukken.

De tweede is neutronenreflectometrie, waarmee wetenschappers de lengte en entdichtheid van moleculen kunnen meten.

"We ontdekten dat als de vloeibare moleculen te kort waren en te weinig geënt op het vaste oppervlak, ze het onderliggende vaste oppervlak niet voldoende bedekten en plakkerig bleven", zei professor Neto.

"Aan de andere kant, als moleculen te lang waren of te dicht geënt, hadden ze niet genoeg flexibiliteit om zich als een vloeistof te gedragen.

"Om SCALS effectief te laten zijn, moesten ze zich in een Goudlokje-zone bevinden, waar ze niet te kort of te lang zijn, en niet te los of te strak verpakt."

Om definitief aan te tonen dat de uitzonderlijke eigenschappen van deze lagen te danken zijn aan hun 'vloeistofachtige' toestand, heeft het team de snelheid gemeten waarmee een klein sondemolecuul in de laag diffundeerde.

Moleculen kunnen door vloeistoffen diffunderen, maar niet door vaste stoffen. Professor Neto zei dat de snelste moleculaire diffusie werd waargenomen in de Goudhaartje-zone, waar de oliemoleculen precies de juiste lengte hebben en met een gemiddelde dichtheid zijn geënt.

Meer informatie: Isaac Gresham et al., Nanostructuur verklaart het gedrag van gladde, covalent gehechte vloeistofoppervlakken, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308008

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie , Angewandte Chemie

Aangeboden door Universiteit van Sydney