Кіріспе

Суға тартылысы жоқ молекула немесе бет. Химияда гидрофобтық – су массасынан итеріліп тебілетін молекуланың физикалық қасиеті (бұл молекула гидрофоб деп аталады). Керісінше, гидрофильдер суға тартылады. Гидрофобты молекулалар көбінесе полярлы емес болып келеді, сондықтан бейтарап молекулалармен және полярлы емес еріткіштермен қарым-қатынас жасауды ұнатады. Су молекулалары полярлы болғандықтан, гидрофобтар олардың арасында жақсы ерімейді. Судағы гидрофобты молекулалар көбінесе бірігіп, мицеллалар құрайды. Гидрофобты беттердегі судың контактілік бұрышы жоғары болады. Гидрофобты молекулалардың мысалдарына алкандар, майлар, майлар және жалпы майлы заттар жатады. Гидрофобты материалдар судан мұнайды алу, мұнай төгілуін басқару және полярлы қосылыстардан полярлы емес заттарды бөліп алу үшін химиялық айыру процестерінде қолданылады. Гидрофобтық көбінесе липофильді, "майды жақсы көретін" терминімен шатастырылады. Дегенмен, бұл екі термин бір-біріне толыққанды синоним емес. Гидрофобты заттар көбінесе липофильді болғанымен, силикондар және фторкарбондар сияқты ерекше жағдайлар да бар. Гидрофоб термині ежелгі грек тілінен алынған ὑδρόφοβος (hydróphobos) – "судан қорқатын" деген сөзден құрастырылған.

Химиялық негіз

Гидрофобты өзара әрекеттесу көбінесе су молекулалары арасындағы жоғары динамикалық сутекті байланыстардың полярлы емес заттың әсерінен бұзылуынан туындайтын энтропиялық эффект болып табылады. Бұл судың полярлы емес молекулалардың айналасында клатрат сияқты құрылым түзеуіне себеп болады. Бұл құрылым, еркін су молекулаларына қарағанда көбірек реттелген, себебі су молекулалары өзара әрекеттесу үшін мүмкіндігінше жақын орналасады, соның салдарынан жоғары энтропиялық күйге ие болады. Бұл полярлы емес молекулаларды сумен тікелей жанасқан бетін азайту және жүйенің энтропиясын төмендету үшін біріктіруге алып келеді. Осылайша, екі араласпайтын фаза (гидрофильді және гидрофобты) өзара интерфейстік ауданы ең аз болатындай өзгеріске ұшырайды. Бұл эффект фазалық бөліну деп аталатын құбылыста көрінеді.

Супергидрофобтылық

Суды өте қиын батыратын беттер, мысалы, лотос өсімдігінің жапырақтары, су өткізбейді. Су тамшысының жанасу бұрышы 150°-тан жоғары болады. Бұл құбылыс лотос эффектісі деп аталады және ол негізінен химиялық емес, беттік кернеуге байланысты физикалық қасиет.

Ғылыми-зерттеу және даму

1964 жылы Деттер мен Джонсон супергидрофобтық лотос эффекті құбылысының дөрекі гидрофобтық беттермен байланысты екенін анықтады және олар парафинмен немесе TFE теломерімен қапталған шыны буындармен жасалған тәжірибелер негізінде теориялық модель әзірледі. 1977 жылы супергидрофобты микро- және наноқұрылымды беттердің өзін-өзі тазартатын қасиеті туралы хабарланды. Перфторалкил, перфторполиэфир және радиожиілікті плазмадан жасалған супергидрофобты материалдар әзірленді, электрмен ылғалдану үшін пайдаланылды және 1986-1995 жылдар аралығында биомедициналық қолданулар үшін коммерцияландырылды. 1990 жылдардың ортасынан бастап басқа технологиялар мен қолданыстар пайда болды. 2002 жылы бір немесе екі қадамда қолданылатын, 100 нанометрге дейінгі наноөлшемді бөлшектерден тұратын, микрометрлік өлшемдегі белгілері бар немесе 100 микрометрге дейінгі бөлшектермен жабылған тұрақты супергидрофобтық иерархиялық композиция ашылды. Ірі бөлшектер кіші бөлшектерді механикалық тозудан қорғайтыны байқалды. Соңғы зерттеулерде алкилкетен димерінің (АКД) наноқұрылымдық фракталды бетке қатып қалуы арқылы супергидрофобтылыққа қол жеткізілгені хабарланды. Көптеген мақалалар супергидрофобты беттерді өндіру әдістерін ұсынды, оның ішінде бөлшектерді жинақтау, соль-гель әдістері, плазмалық өңдеулер, бумен жабу. Қазіргі зерттеулердің әсер ету мүмкіндігі негізінен іргелі зерттеулер мен практикалық өндірісте жатыр. Жақында Венцель және Касси-Бакстер модельдерінің қолданылуына қатысты пікірталастар туды. Венцель мен Касси-Бакстер модельдерінің беттік энергия тұрғысынан дұрыстығын тексеру және контакттік сызық тұрғысынан қарастыру мақсатымен жүргізілген тәжірибеде су тамшылары дөрекі гидрофобтық өрістегі тегіс гидрофобтық нүктеге, тегіс гидрофобтық өрістегі дөрекі гидрофобтық нүктеге және гидрофобтық өрістегі гидрофильді нүктеге орналастырылды. Тәжірибелер контакттік сызықтағы бет химиясы мен геометриясы контакт бұрышы мен контакттік бұрыш гистерезисіне әсер ететінін көрсетті, бірақ контакттік сызықтың ішіндегі бет ауданы әсер етпеді. Сондай-ақ, контакттік сызықтың бұрыштығы тамшылардың жылдамдығын арттырады деген пікір де айтылды. Табиғатта кездесетін көптеген гидрофобты материалдар Касси заңына сүйенеді және субмикрометрлік деңгейде екі фазалы болып табылады, олардың бірі – ауа. Лотос эффектісі осы принципке негізделген. Одан шабыттандырылып, көптеген функционалды супергидрофобты беттер жасалды. Нанотехнологиядағы бионикалық немесе биомиметикалық супергидрофобты материалдың мысалы – наношпильді пленка. Бір зерттеуде ванадий пентоксидінің беткі қабаты УФ-сәуле әсерінен супергидрофобтылық пен супергидрофильділік арасында қайтымды түрде ауысатыны көрсетілді. Зерттеуге сәйкес, кез келген бетті, мысалы, сиялы принтер арқылы V2O5 бөлшектеріне ұқсас гүл тәрізді суспензияны қолдану арқылы осы мақсатта өзгертуге болады. Гидрофобтылық тағы да қабаттар аралық ауа қуыстарымен (2,1 нм аралықта бөлінген) шақырылады. Ультрафиолет әсері де түсіндіріледі. Ультрафиолет сәулесі электрон-тесік жұптарын жасайды, тесіктер торлық оттегімен әрекеттесіп, беткі оттегінің бос орындарын жасайды, ал электрондар V5+ иондарын V3+ иондарына дейін тотықтырады. Оттегінің бос орындары сумен толтырылады, ал ванадий бетінің суды сіңіру қабілеті оны гидрофильді етеді. Ұзақ уақыт қараңғыда сақтағанда судың орнына оттегі келіп, гидрофильділік қайтадан жоғалады. Гидрофобты беттердің басым көпшілігі гидрофобтық қасиеттерін сыйымды материалдың бетін жабылатын жабындар немесе беттік өңдеулер арқылы құрылымдық немесе химиялық өзгерту арқылы иеленеді. Яғни, молекулалық түрлердің (әдетте органикалық) немесе құрылымдық ерекшеліктердің болуы судың жоғары контакт бұрыштарына әкеледі. Соңғы жылдары сирек кездесетін жерлердің оксидтерінің ішкі гидрофобтық қасиеттері бар екені анықталды. Сирек кездесетін жерлердің оксидтерінің ішкі гидрофобтығы беттік бағытқа және оттегінің бос орындарына байланысты, және жабындарға немесе беттік өңдеулерге қарағанда табиғи түрде берік, жоғары температурада немесе коррозиялық ортада жұмыс істей алатын конденсаторлар мен катализаторларда қолдануға ие.

Қолданылу түрлері және ықтимал қолдану түрлері

Гидрофобты бетон 20-ғасырдың ортасынан бері өндіріліп келеді. Супергидрофобты материалдар саласындағы қазіргі белсенді зерттеулер болашақта олардың өнеркәсіптік қолданылуына әкелуі мүмкін. Кремний немесе титан бөлшектерімен мақта матасын соль-гель әдісі арқылы жабудың қарапайым тәсілі туралы хабарланды, бұл матаны ультракүлгін сәуледен қорғайды және оны супергидрофобты етеді. Полиэтиленді супергидрофобты және осылайша өзін-өзі тазартатын тиімді тәсіл туралы да хабарланды. Мұндай беттегі ластанудың 99% оңай жуылады. Үлгіленген супергидрофобты беттер микрофлюидтық құрылғылардағы "лабораториядағы чип" және беттік биоанализді күрт жақсарту мүмкіндігін ұсынады. Фармацевтикалық қоспалардың гидрофобтылығы соңғы өнімдердің маңызды сапалық сипаттамаларына, мысалы, дәрінің ерігіштігі мен қаттылығына әсер етеді. Фармацевтикалық материалдардың гидрофобтылығын өлшеу әдістері әзірленді. Күндізгі радиациялық салқындату (PDRC) жүйесіндегі гидрофобты пассивті беттерді әзірлеу, олардың күн сәулесін кері шағылыстыру және жылуды сәулелендіру тиімділігі олардың тазалығына байланысты, осы беттердің "өзін-өзі тазарта" алу қабілетін жақсартты. Ұшпалы органикалық қосылыстарды (VOC) болдырмайтын, кеңейтілген және тұрақты гидрофобты PDRC жүйелері одан әрі жетілдірілді.