Гидрофобность: Свойства и Применение

Введение

Молекула или поверхность, не проявляющая притяжения к воде.

В химии гидрофобность – это физическое свойство молекулы, которая, по-видимому, отталкивается от массы воды (известной как гидрофоб). В отличие от них, гидрофилы притягиваются к воде. Гидрофобные молекулы, как правило, неполярны и, следовательно, предпочитают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители. Поскольку молекулы воды полярны, гидрофобы плохо растворяются в воде. Гидрофобные молекулы в воде часто объединяются в кластеры, образуя мицеллы. Вода на гидрофобных поверхностях демонстрирует высокий угол контакта. Примеры гидрофобных молекул включают алканы, масла, жиры и жироподобные вещества в целом. Гидрофобные материалы используются для удаления масла с воды, ликвидации нефтяных разливов и химических процессов разделения для удаления неполярных веществ из полярных соединений. Термин "гидрофобный" часто используется как синоним "липофильного" (любящего жиры). Однако эти два термина не являются полными синонимами. Хотя гидрофобные вещества обычно липофильны, существуют исключения, такие как силиконы и фторуглероды. Термин "гидрофоб" происходит от древнегреческого ὑδρόφοβος (hydróphobos) – "боящийся воды".

Химическая основа

Гидрофобное взаимодействие в основном является энтропическим эффектом, возникающим из-за разрушения высокодинамичных водородных связей между молекулами жидкой воды неполярным растворенным веществом, что заставляет воду формировать клатратоподобную структуру вокруг неполярных молекул. Эта образовавшаяся структура более упорядочена, чем свободные молекулы воды, поскольку молекулы воды располагаются таким образом, чтобы максимально взаимодействовать друг с другом, что приводит к более высокому энтропийному состоянию. Это заставляет неполярные молекулы объединяться, чтобы уменьшить площадь поверхности, контактирующую с водой, и снизить энтропию системы. Таким образом, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) изменятся так, чтобы их соответствующая межфазная площадь была минимальной. Этот эффект можно наблюдать в явлении, называемом фазовым разделением.

Супергидрофобность

Сверхгидрофобные поверхности, такие как листья лотоса, характеризуются крайне низкой смачиваемостью. Угол контакта капли воды превышает 150°. Это явление известно как эффект лотоса и обусловлено, главным образом, физическими свойствами, связанными с поверхностным натяжением, а не химическими.

Исследования и разработки

Деттре и Джонсон обнаружили в 1964 году, что феномен сверхгидрофобного эффекта лотоса был связан с шероховатыми гидрофобными поверхностями, и они разработали теоретическую модель, основанную на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или TFE-теломером. Свойства самоочистки сверхгидрофобных микро- и наноструктурированных поверхностей были сообщены в 1977 году. Супергидрофобные материалы на основе перфторалкилов, перфторполиэфиров и RF-плазмы были разработаны, использованы для электросмачивания и коммерциализированы для биомедицинских применений в период с 1986 по 1995 год. С середины 1990-х годов появились другие технологии и области применения. В 2002 году был представлен прочный сверхгидрофобный иерархический состав, наносимый в один или два этапа, включающий наночастицы размером ≤ 100 нанометров, нанесенные на поверхность с микроскопическими элементами или частицами размером ≤ 100 микрометров. Было обнаружено, что более крупные частицы защищают мелкие от механического истирания. В недавних исследованиях сообщалось о сверхгидрофобности, достигаемой путем затвердевания димера алкилкетена (AKD) в наноструктурированную фрактальную поверхность. Современные возможности для исследовательского воздействия в основном связаны с фундаментальными исследованиями и практическим производством. Недавно возникли дебаты относительно применимости моделей Венцеля и Кэсси-Бакстера. В эксперименте, разработанном для проверки концепции поверхностной энергии в моделях Венцеля и Кэсси-Бакстера и продвижения концепции линии контакта, капли воды были помещены на гладкое гидрофобное пятно в шероховатом гидрофобном поле, на шероховатое гидрофобное пятно в гладком гидрофобном поле и на гидрофильное пятно в гидрофобном поле. Эксперименты показали, что химический состав и геометрия поверхности в линии контакта влияют на угол контакта и гистерезис угла контакта, но площадь поверхности внутри линии контакта не оказывает влияния. Также было предложено, что увеличение изрезанности линии контакта повышает подвижность капель. Многие гидрофобные материалы, встречающиеся в природе, основаны на законе Кэсси и являются двухфазными на субмикрометровом уровне, одним из компонентов которого является воздух. Эффект лотоса основан на этом принципе. Вдохновленные этим, были созданы многие функциональные сверхгидрофобные поверхности. Примером бионического или биомиметического сверхгидрофобного материала в нанотехнологиях является наностержневая пленка. В одном исследовании представлена поверхность пентаоксида ванадия, которая под воздействием УФ-излучения обратимо переключается между сверхгидрофобностью и сверхгидрофильностью. Согласно исследованию, любую поверхность можно модифицировать таким образом путем нанесения суспензии частиц V2O5, похожих на розы, например, с помощью струйного принтера. Снова гидрофобность индуцируется межслойными воздушными карманами (разделенными расстоянием 2,1 нм). Также объясняется УФ-эффект. УФ-свет создает пары электрон-дырок, при этом дырки реагируют с решетчатым кислородом, создавая поверхностные кислородные вакансии, а электроны восстанавливают V5+ до V3+. Кислородные вакансии заполняются водой, и именно эта водопоглощающая способность поверхности ванадия делает ее гидрофильной. При длительном хранении в темноте вода замещается кислородом, и гидрофильность снова теряется. Значительная часть гидрофобных поверхностей приобретает свои гидрофобные свойства в результате структурной или химической модификации поверхности объемного материала, либо посредством покрытий, либо поверхностной обработки. То есть наличие молекулярных видов (обычно органических) или структурных особенностей приводит к высоким углам контакта воды. В последние годы было показано, что оксиды редкоземельных элементов обладают внутренней гидрофобностью. Внутренняя гидрофобность оксидов редкоземельных элементов зависит от ориентации поверхности и уровня кислородных вакансий и, как правило, более устойчива, чем покрытия или поверхностная обработка, что открывает потенциальные возможности для применения в конденсаторах и катализаторах, которые могут работать при высоких температурах или в агрессивных средах.

Dettre and Johnson discovered in 1964 that the superhydrophobic lotus effect phenomenon was related to rough hydrophobic surfaces, and they developed a theoretical model based on experiments with glass beads coated with paraffin or TFE telomer. The self cleaning property of superhydrophobic micro nanostructured surfaces was reported in 1977. Perfluoroalkyl, perfluoropolyether, and RF plasma formed superhydrophobic materials were developed, used for electrowetting and commercialized for bio medical applications between 1986 and 1995. Other technology and applications have emerged since the mid 1990s. A durable superhydrophobic hierarchical composition, applied in one or two steps, was disclosed in 2002 comprising nano sized particles ≤ 100 nanometers overlaying a surface having micrometer sized features or particles ≤ 100 micrometers. The larger particles were observed to protect the smaller particles from mechanical abrasion. In recent research, superhydrophobicity has been reported by allowing alkylketene dimer (AKD) to solidify into a nanostructured fractal surface. Many papers have since presented fabrication methods for producing superhydrophobic surfaces including particle deposition, sol gel techniques, plasma treatments, vapor deposition, Current opportunity for research impact lies mainly in fundamental research and practical manufacturing. Debates have recently emerged concerning the applicability of the Wenzel and Cassie–Baxter models. In an experiment designed to challenge the surface energy perspective of the Wenzel and Cassie–Baxter model and promote a contact line perspective, water drops were placed on a smooth hydrophobic spot in a rough hydrophobic field, a rough hydrophobic spot in a smooth hydrophobic field, and a hydrophilic spot in a hydrophobic field. Experiments showed that the surface chemistry and geometry at the contact line affected the contact angle and contact angle hysteresis, but the surface area inside the contact line had no effect. An argument that increased jaggedness in the contact line enhances droplet mobility has also been proposed. Many hydrophobic materials found in nature rely on Cassie's law and are biphasic on the submicrometer level with one component air. The lotus effect is based on this principle. Inspired by it, many functional superhydrophobic surfaces have been prepared. An example of a bionic or biomimetic superhydrophobic material in nanotechnology is nanopin film. One study presents a vanadium pentoxide surface that switches reversibly between superhydrophobicity and superhydrophilicity under the influence of UV radiation. According to the study, any surface can be modified to this effect by application of a suspension of rose like V2O5 particles, for instance with an inkjet printer. Once again hydrophobicity is induced by interlaminar air pockets (separated by 2.1 nm distances). The UV effect is also explained. UV light creates electron hole pairs, with the holes reacting with lattice oxygen, creating surface oxygen vacancies, while the electrons reduce V5+ to V3+. The oxygen vacancies are met by water, and it is this water absorbency by the vanadium surface that makes it hydrophilic. By extended storage in the dark, water is replaced by oxygen and hydrophilicity is once again lost. A significant majority of hydrophobic surfaces have their hydrophobic properties imparted by structural or chemical modification of a surface of a bulk material, through either coatings or surface treatments. That is to say, the presence of molecular species (usually organic) or structural features results in high contact angles of water. In recent years, rare earth oxides have been shown to possess intrinsic hydrophobicity. The intrinsic hydrophobicity of rare earth oxides depends on surface orientation and oxygen vacancy levels, and is naturally more robust than coatings or surface treatments, having potential applications in condensers and catalysts that can operate at high temperatures or corrosive environments.

Применение и потенциальное применение

Гидрофобный бетон производится с середины 20-го века. Активные современные исследования сверхгидрофобных материалов могут в конечном итоге привести к более широкому промышленному применению. Описана простая методика нанесения покрытия из частиц диоксида кремния или диоксида титана на хлопчатобумажную ткань методом золь-гель, которая защищает ткань от ультрафиолетового излучения и придает ей сверхгидрофобные свойства. Сообщается об эффективной методике придания полиэтилену сверхгидрофобности и, следовательно, самоочищающихся свойств. 99% загрязнений с такой поверхности легко удаляются водой. Структурированные сверхгидрофобные поверхности также перспективны для микрофлюидных устройств типа "лаборатория на чипе" и могут значительно улучшить биоанализ на основе поверхностей. В фармацевтике гидрофобность фармацевтических смесей влияет на важные показатели качества конечных продуктов, такие как растворение лекарственного вещества и твердость. Разработаны методы измерения гидрофобности фармацевтических материалов. Разработка гидрофобных пассивных поверхностей для радиационного охлаждения в дневное время (PDRC), эффективность которых в отношении солнечного отражения и теплового излучения зависит от их чистоты, улучшила свойство "самоочистки" этих поверхностей. Дальнейшее развитие получили масштабируемые и экологически устойчивые гидрофобные PDRC, не содержащие летучих органических соединений.