Кіріспе

Химия және материалтану ғылымдарындағы ультрагидрофобтық (немесе супергидрофобтық) беттер өте гидрофобты, яғни сулануға өте төзімді. Су тамшысының ультрагидрофобтық материалмен жанасу бұрышы 150°-тан аспайды. Бұл лотос өсімдігінің су өткізбейтін жапырақтарының құбылысымен байланысты, сондықтан "лотос эффектісі" деп те аталады. Мұндай бетке тиген тамшы серпіп, эластикалық шар сияқты толық кері қайтады. Тамшылардың кері секіруі кезіндегі өзара әсерлерін арнайы супергидрофобтық беттердің көмегімен одан әрі азайтуға болады, олар симметрияны бұзуға, дискі тәрізді немесе су тостағаншасы тәрізді секіруге мүмкіндік береді.

Бiрлiктi және иерархиялық кесек құрылымдар

М. Носоновский мен Б. Бхушан микро және нано өңкейліктің унитарлық (иерархиялық емес) құрылымдары мен иерархиялық құрылымдарды (нано өңкейлікпен жабылған микро өңкейлік) зерттеді. Олар иерархиялық құрылымның жоғары контакт бұрышы үшін ғана емес, сонымен қатар қатты-су және су-ауа интерфейстерінің (композиттік интерфейс) тұрақтылығы үшін де маңызды екенін анықтады. Сыртқы күш әсерінен сұйық-ауа интерфейсінде тұрақты капиллярлық толқын пайда болуы мүмкін. Егер капиллярлық толқынның амплитудасы өңкейліктің биіктігінен артық болса, сұйық өңкейліктер арасындағы ойысқа тие алады; ал егер сұйықтың қатты денемен жанасу бұрышы h0-ден жоғары болса, сұйықтың ойысты толтыруы энергетикалық тұрғыдан тиімді болады. Капиллярлық толқындардың әсері толқын амплитудасына шамалас биіктігі бар кішкентай өңкейліктерде жақсы көрінеді. Мұның мысалы унитарлық өңкейлік жағдайында байқалады, онда өңкейліктің амплитудасы өте төмен. Сондықтан, бірыңғай интерфейстің тұрақсыздыққа ұшырау ықтималдығы өте жоғары. Алайда, соңғы зерттеуде Эйал Битун мен Абрахам Мармур көп масштабты өңкейліктің супергидрофобтылық үшін міндетті емес, бірақ беттің механикалық тұрақтылығы үшін пайдалы екенін анықтады.

Табиғаттағы мысалдар

Табиғатта кездесетін көптеген су өткізбейтін материалдар Касси заңына сүйенеді және субмикрометрлік деңгейде екі фазалы болып табылады. Кейбір өсімдіктердің жіңішке түктері суды қорғайды, судың еріткіш қасиеттерін пайдаланып, фотосинтез беттерінен күн сәулесін кедергілейтін кірді тартып алып, тазартады. Осы лотос эффектісінен шабыттандырылып, көптеген функционалды супергидрофобтық беттер жасалды. Суда жүретін қоңыздар – судың беткі қабатында тіршілік ететін жәндіктер. Олардың денелері гидрофуга деп аталатын арнайы шаш тізімдерінің арқасында суға батпайды. Олардың денелерінің көп бөлігі осы арнайы "шаш тізімдерімен" жабылған, олар тығыз орналасқан кішкентай шаштардан тұрады, бір миллиметрге мыңнан астам микрошаштан құралған, бұл су өткізбейтін беткі қабатты құрайды. Ұқсас гидрофуга беттері басқа жәндіктерде де кездеседі, соның ішінде өмірінің көп бөлігін су астында өткізетін сулы жәндіктерде де, олардың су өткізбейтін шаштары тыныс алу жүйесіне судың енуін болдырмайды. Кейбір кесірткелердің, мысалы, гекон мен аноланың тері беті де су өткізбейтін екені анықталды, бұл оларға өздігінен тазалануға немесе су астында тыныс алуға көмектеседі. Кейбір құстар гидрофобтық қауырсын жабынының арқасында өте жақсы жүзеді. Пингвиндер ауа қабатымен қапталған, сондықтан судан секіріп шығып, биік жерге қонғанда, ішіндегі ауаны шығарып, жылдамдықпен қозғала алады. Суға түскенде ауа қабығының кедергісін азайтады және жылуды сақтайтын оқшаулағыш ретінде де қызмет етеді.

Соңғы зерттеулер

1964 жылы Деттер мен Джонсон супергидрофобтық лотос эффекті құбылысының дөңгелек 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 тазалау қасиеті туралы хабарланды. Перфторалкил, перфторполиэфир және радиожиілікті плазмадан жасалған супергидрофобты материалдар әзірленді, электрмен ылғалдану үшін пайдаланылды және 1986-1995 жылдар аралығында биомедициналық қолданулар үшін сатылды. 1990 жылдардың ортасынан бастап басқа технологиялар мен қолданыстар пайда болды. 2002 жылы бір немесе екі қадамда қолданылатын, 100 нанометрге дейінгі наноөлшемді бөлшектерден (микрометрлік өлшемдегі белгілері бар немесе 100 мкм-ге дейінгі бөлшектерден) тұратын тұрақты супергидрофобтық иерархиялық композиция ашылды. Ірі бөлшектер кіші бөлшектерді механикалық тозудан қорғайды. 2012 жылы 10-100 нм көлеміндегі нанобөлшектерді қамтитын берік, оптикалық мөлдір супергидрофобтық және олеофобтық жабындар жасалды. Супергидрофобтылықты зерттеулер жақында алкилкетен димерін (АКД) пайдаланып, наноқұрылымдалған фракталды бетке қатыру арқылы жасалған адам жасаған супергидрофобты үлгілер туралы хабарламамен үдеді. Көптеген мақалалар супергидрофобты беттерді өндіру үшін бөлшектерді жинақтау, соль-гель әдістері, плазмалық өңдеу, бумен жабу сияқты өндіріс әдістерін ұсынды. Қазіргі зерттеулердің әсер ету мүмкіндігі негізінен іргелі зерттеулер мен практикалық өндірісте жатыр. Жақында Венцель және Кэсси-Бакстер модельдерінің қолданылуына қатысты пікірталастар туды. Венцель және Кэсси-Бакстер модельдерінің беттік энергия перспективасын сынап, контакттік сызық перспективасын дамытуға бағытталған тәжірибеде су тамшылары дөңгелек гидрофобтық өрістегі тегіс гидрофобтық нүктеге, тегіс гидрофобтық өрістегі дөңгелек гидрофобтық нүктеге және гидрофобтық өрістегі гидрофильді нүктеге орналастырылды. Тәжірибелер контакттік сызықтағы беттік химия мен геометрияның контакт бұрышы мен контакттік бұрыш гистерезисіне әсер ететінін көрсетті, бірақ контакттік сызықтың ішіндегі беттік ауданы әсер етпеді. Контакттік сызықтың бұрылыстығы тамшылардың жылдамдығын арттырады деген пікір де айтылды. Контакттік сызықтағы бұрылыстықты эксперименттік өлшеудің бір әдісі – төмен балқу температурасы бар металлдан жасалған балқытылған және микро/наноқұрылымды беттерге салынған. Металл суынып, қатып қалғаннан кейін оны бетінен алып тастап, кері бұрып, контакттік сызықтың микрогеометриясын тексеруге болады. Ылғалдануды басқаруға болатын беттерді жасау бойынша жұмыстар жүргізілді. Тамшылардың өздігінен қозғалуы үшін беттің еркін энергиясын біртіндеп арттыру үшін беттің әртүрлі мұнаралары мен аралықтарын жасауға болады. Мұнараның ені артқан сайын еркін энергия кедергісі артып, контакт бұрышы төмендеп, материалдың гидрофобтылығы төмендейді. Мұнаралардың арақашықтығын арттыру контакт бұрышын арттырады, бірақ еркін энергия кедергісі де артады. Тамшылар табиғи түрде гидрофобтылығы нашар аймақтарға қарай қозғалады, сондықтан тамшыны бір жерден екінші жерге өздігінен жылжыту үшін идеалды бет кіші ені бар және үлкен арақашықтығы бар мұнаралардан басталып, үлкен ені бар және кіші арақашықтығы бар мұнараларға дейін өзгеруі керек. Бұл өздігінен қозғалудың бір шектеуі – қозғалмайтын тамшылардың қозғалуға қарсылығы. Тамшылардың бастапқы қозғалысы үшін сыртқы стимул қажет, мысалы, беттің дірілі немесе инеден босатылған шприцтің "итеруі". Ылғалдануды оңай басқаруға болатын мысал – арнайы жасалған маталар. Диппен қапталған коммерциялық матаны созу арқылы контакт бұрыштарының өсуіне мүмкіндік берілді. Бұл негізінен мұнара аралығының артуынан туындайды. Алайда, бұл үрдіс жоғары кернеуде гидрофобтылыққа қарай жалғаспайды. Соңында, Кэсси-Бакстер күйі тұрақсыздыққа жетіп, Венцель күйіне ауысады, матаны сіңіреді. Нанотехнологиядағы биомиметикалық супергидрофобты материалдың мысалы – наношұқыр пленкасы. Бір зерттеуде В2О5 вандий пентоксидінің беті ұсынылды, ол УФ-сәуле әсерінен супергидрофобтылық пен супергидрофилдылық арасында кері ауыса алады. Зерттеуге сәйкес, кез келген бетті V2O5 бөлшектері сияқты гүл тәрізді суспензияны қолдану арқылы өзгертуге болады, мысалы, сиялы принтермен. Гидрофобтылық қабаттар арасындағы ауа қуыстарымен (2,1 нм аралықта бөлінген) шақырылады. УФ-эффекті де түсіндірілді. УФ сәулесі электрон-тесік жұптарын жасайды, тесіктер тордағы оттегімен әрекеттесіп, беттік оттегінің жетіспеуін тудырады, ал электрондар V(5+)-ты V(3+)-қа дейін тотықтырады. Оттегінің жетіспеуі сумен толтырылады, ал судың вандий бетіне сіңірілуі оны гидрофильді етеді. Қараңғыда ұзақ сақтағанда, су оттегімен алмастырылады және гидрофилдылық қайтадан жоғалады. Биомиметикалық беттің тағы бір мысалы – поликарбонаттың жалпы полимеріндегі микро гүлдер. Микро/нано екіұшты құрылымдар (MNBS) лотос жапырағының әдеттегі микро/наноқұрылымын имитациялайды. Бұл микро гүлдер беттің гидрофобтығын арттыратын наноөлшемді ерекшеліктерді ұсынады, төмен беттік энергия жабындары қолданбай. Супергидрофобты беттің жасалуы айналадағы ылғалдылықтың әртүрлі деңгейлерінде бумен шақырылған фазалық бөліну арқылы беттің контакт бұрышын өзгертеді. Дайындалған беттер 160°-тан жоғары контакт бұрыштарын және шамамен 10° сығу бұрыштарын ұсынады. Жақындағы зерттеу таро жапырағында бал арасынан жасалған микроқұрылымды анықтады, бұл жапырақты супергидрофобты етеді. Осы зерттеуде таро жапырағында өлшенген контакт бұрышы шамамен 148 градусқа жетеді. Төмен беттік энергия жабындары да супергидрофобты бетті қамтамасыз ете алады. Өздігінен жиналатын моноқабатты (SAM) жабын мұндай беттерді қамтамасыз ете алады. Гидрофобты бетті сақтау үшін бас тобы бетке жақын байланысады, ал гидрофобты мицеллалар беттен алыс созылады. SAM мөлшерін субстратқа жағу арқылы гидрофобтылық деңгейін өзгертуге болады. Белгілі бір супергидрофобты SAM гидрофобты бас тобын субстратқа байланыстырады. Мұндай жұмыстың бірінде 1 додекантиол (DT; CH3(CH2)11SH) Pt/ZnO/SiO2 композиттік субстратына жиналып, 170,3° контакт бұрышын тудырады. Моноқабаттарды УФ көзімен де алып тастауға болады, гидрофобтылықты төмендетеді. Октадецилтрихлорсиланды (OTS) пайдалану арқылы микроқұрылым мен төмен беттік кернеуді бір қадамда жасауға болатын қарапайым өндіріс әдісі бар. Супергидрофобты беттер Лейденфрост эффектін тұрақтандыра алады, бу қабатын тұрақтандырады. Бу қабаты қалыптасқаннан кейін салқындату қабатты бұзбайды және ядролық қайнау болмайды, қабат бет салқындағанша бірте-бірте босаңсайды. Бақыланатын геометриясы бар супергидрофобты полимер беттерін жасау қымбат және уақытты қажет етеді, бірақ бірнеше коммерциялық көздер зертханалар үшін үлгілерді ұсынады.

Мүмкін болатын қолданулар

Супергидрофобты материалдарға қатысты белсенді зерттеулер өнеркәсіптік қолданысқа жол ашуы мүмкін. Супергидрофобты бет жасауға жасалған әрекеттердің кейбіреулері лотос жапырағының бетін, атап айтқанда екі қабатты құрылымын қайталауды қамтиды. Бұл үшін микро деңгейдегі беттер қажет, олардың үстінде әдетте нано деңгейдегі ерекшеліктер болады. Мысалы, мақта матасын кремний немесе титан бөлшектерімен золь-гель әдісімен жабу процедурасы туралы хабарланды, бұл матаны ультракүлгін сәуледен қорғайды және оны супергидрофобты етеді. Сол сияқты, кремний нанобөлшектерін гидрофобты көміртекті матаның үстіне жағуға болады. Көміртекті матаның өзі табиғи гидрофобты деп танылады, бірақ оның контакт бұрышы 150°-тан жоғары болмағандықтан супергидрофобты деп ерекшеленбейді. Кремний нанобөлшектерінің жабысуымен 162°-ға дейін контакт бұрыштарына қол жеткізіледі. Кремний нанобөлшектерін пайдалану автомобильдердің алдыңғы әйнектері мен терезелерді өздігінен тазартатын мөлдір гидрофобты материалдарды әзірлеуде де қызығушылық тудырады. Мөлдір бетті шамамен 1 салмақтық % нанокремниймен жапқанда тамшының контакт бұрышын 12° сырғанау бұрышымен 168°-ға дейін көтеруге болады. Сызықты төмен тығыздықтағы полиэтиленді супергидрофобты және осылайша өздігінен тазартатын тиімді процедура туралы хабарланды; мұндай бетке түсетін кірдің 99% оңай жуылады. Үлгіленген супергидрофобты беттер микрофлюидтік құрылғыларға ие және зертханадағы чиптерде қолданылады, сондай-ақ бетке негізделген биоанализді айтарлықтай жақсарта алады. Тоқыма өнеркәсібінде супергидрофобтылық - судың 20° немесе одан аз статикалық сырғанау бұрышын білдіреді. Тірі қолдануда супергидрофобты эффекттің мысалы - Америка кубогындағы Alinghi командасының арнайы өңделген желкен киімдерін пайдалануы. Өңдеу микрометрлік бөлшектердің және дәстүрлі фтор химиясының үйлесімінен тұрады. Жақында супергидрофобты қағаз әзірленді, ол қағаз электроникасы және медициналық өнеркәсіпте қолдану үшін ерекше қасиеттерге ие. Қағаз органикалық емес ортада синтезделеді, бұл оны экологиялық таза етеді. Қағаздың антимикробтық қасиеттері бар, өйткені ол ылғалды ұстамайды, сондықтан хирургиялық қолдануға өте қолайлы. Бұл қағаз қағаз электроникасы өнеркәсібі үшін үлкен қадам болуы мүмкін. Сулы және органикалық еріткіштерге төзімділігі оны электронды сенсорлар мен чиптерді әзірлеуде идеалды таңдау етеді. Терідегі аналиттерді анықтау электродтарды зақымдамай және үнемі алмастырмай мүмкін, өйткені бұл қағаз терге қарсы тұрады. Оның шексіз қолданылуымен бұл материалтану саласы одан әрі зерттеледі деп күтілуде. Гидрофобты құрылымдар мен материалдардың жақындағы қолданылуы микро отын элементтері чиптерін әзірлеуде. Отын жасушасындағы реакциялардан шығатын қалдық газ - CO2 осы гидрофобты мембраналар арқылы шығарылады. Мембрана газдың шығуына мүмкіндік беретін көптеген микроқуыстардан тұрады, ал оның гидрофобты қасиеті сұйық отынның ағып кетуіне жол бермейді. Бұрынғы қалдық газ көлемін ауыстыру үшін көбірек отын ағыны кіреді және реакция жалғасуына мүмкіндік беріледі. Ультрагидрофобты беттердің кең таралған қолданылуы жылу алмастырғыштарда, онда олар тамшыларды жақсырақ түсіруге және тіпті тамшы конденсациясын тудыруға мүмкіндік береді, бұл электр станцияларына, жылытуға, кондиционерлеуге және тұзсыздандыруға әкелуі мүмкін. Сирек кездесетін жерлердің оксидтері, олардың табиғи гидрофобты беттері бар екені анықталды, беттік қаптамаларға балама ұсынады, бұл жоғары температурада жұмыс істейтін жылу алмастырғыштар үшін термиялық тұрақты гидрофобты беттерді әзірлеуге мүмкіндік береді. Мембраналық дистилляция үшін ультрагидрофобты тұщыландыру мембраналары да топыраққа төзімділігін жақсарту үшін химиялық бумен жиналу арқылы тиімді жасалды. Супергидрофобты беттер мұзды кері қайтаруға немесе мұздың жиналуын болдырмауға мүмкіндік береді, бұл мұзфобия құбылысына әкеледі. Алайда, барлық супергидрофобты беттер мұзға қарсы емес және бұл тәсіл әлі де дамып келеді. Әсіресе, үлгі жиектерінен басталатын қаламаған тамшы аралық тоңазыту толқынының таралуы нәтижесінде бүкіл бетінде мұздың пайда болуы сөзсіз. Сонымен қатар, мұздың пайда болуы тікелей мұздың жабысуын арттырады, бұл кейіннен мұзды жою процесіне үлкен қиындықтар тудырады. Иерархиялық бетті құру арқылы тамшы аралық тоңазыту толқынының таралуын басуға болады, ал мұзды/мұзды жоюға ықпал етуге болады. Жақсартылған өнімділіктер негізінен иерархиялық беттегі микродеңгейлік жиектің әсерін белсендіруге байланысты, бұл мұзды көпірлеу үшін энергия кедергісін арттырады, сондай-ақ мұзды жою/мұзды жою процесі кезінде сұйық майлауды қамтамасыз етеді. Қаптаманың тұтқыр сұйықтықты толығымен босату қабілеті контейнердің ішкі қабырғаларының беттік энергиясына байланысты. Супергидрофобты беттерді пайдалану пайдалы, бірақ жаңа майлау материалдарымен жабдықталған беттерді пайдалану арқылы оны одан әрі жақсартуға болады.