Гидрофоб

редактировать
Для использования в других целях, см Гидрофобия (значения). Угол контакта с водой 165 градусов на поверхности, модифицированной с использованием химии поверхности системы плазменной технологии. Угол контакта равен красному углу плюс 90 градусов. Капля росы на гидрофобной поверхности листа Файл: Вырезание капли воды супергидрофобным ножом на супергидрофобных поверхностях.ogv Воспроизвести медиа Резка капли воды с помощью сверхгидрофобного ножа на супергидрофобных поверхностях Капли воды на гидрофобной поверхности травы

В химии, гидрофобность является физическим свойством молекулы, которое, казалось бы, отталкиваются от массы воды (известной как гидрофобный). (Здесь нет силы отталкивания; это отсутствие притяжения.) Напротив, гидрофилов привлекает вода.

Гидрофобные молекулы обычно неполярны и поэтому предпочитают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители. Поскольку молекулы воды полярны, гидрофобы плохо растворяются среди них. Гидрофобные молекулы в воде часто группируются вместе, образуя мицеллы. Вода на гидрофобных поверхностях будет иметь большой угол смачивания.

Примеры гидрофобных молекул включают алканы, масла, жиры и жирные вещества в целом. Гидрофобные материалы используются для удаления нефти из воды, ликвидации разливов нефти и процессов химического разделения для удаления неполярных веществ из полярных соединений.

Гидрофобный часто используется как синоним липофильного, «жиролюбивого». Однако эти два термина не являются синонимами. Хотя гидрофобные вещества обычно липофильны, есть исключения, такие как силиконы и фторуглероды.

Термин гидрофоб происходит от древнегреческого ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), «ужас перед водой», образованного от древнегреческого ὕδωρ (húdōr)  «вода» и древнегреческого φόβος (phóbos)  «страх».

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Химический фон
  • 2 Супергидрофобность
    • 2.1 Теория
  • 3 Исследования и разработки
  • 4 Приложения и потенциальные приложения
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Химический фон

Основная статья: Гидрофобный эффект

Гидрофобное взаимодействие в основном представляет собой энтропийный эффект, возникающий из-за разрушения высокодинамичных водородных связей между молекулами жидкой воды неполярным растворенным веществом, образующим клатратоподобную структуру вокруг неполярных молекул. Эта образованная структура более упорядочена, чем свободные молекулы воды, из-за того, что молекулы воды выстраиваются так, чтобы максимально взаимодействовать друг с другом, и, таким образом, приводит к более высокому энтропийному состоянию, которое заставляет неполярные молекулы слипаться вместе, чтобы уменьшить открытую площадь поверхности. поливать и уменьшать энтропию системы. Таким образом, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная или гидрофобная) изменятся так, что их соответствующая межфазная площадь будет минимальной. Этот эффект можно визуализировать в явлении, называемом разделением фаз.

Супергидрофобность

Основная статья: Супергидрофоб Капля воды на листе растения лотоса.

Супергидрофобные поверхности, такие как листья лотоса, очень трудно намочить. В углах смачивания капли воды превышает 150 °. Это называется эффектом лотоса и в первую очередь является физическим свойством, связанным с межфазным натяжением, а не химическим свойством.

Теория

В 1805 году Томас Янг определил краевой угол θ, проанализировав силы, действующие на каплю жидкости, покоящуюся на твердой поверхности, окруженной газом.

Капля жидкости лежит на твердой поверхности и окружена газом. Краевой угол θ C - это угол, образованный жидкостью на границе трех фаз, где пересекаются жидкость, газ и твердое тело. Капля, покоящаяся на твердой поверхности и окруженная газом, образует характерный угол смачивания  θ. Если твердая поверхность шероховатая, а жидкость находится в тесном контакте с твердыми неровностями, капля находится в состоянии Венцеля. Если жидкость остается на вершинах выступов, она находится в состоянии Кэсси – Бакстера.
γ SG   знак равно γ SL + γ LG потому что θ {\ displaystyle \ gamma _ {\ text {SG}} \ = \ gamma _ {\ text {SL}} + \ gamma _ {\ text {LG}} \ cos \ theta \,}

куда

γ SG   {\ displaystyle \ gamma _ {\ text {SG}} \}= Межфазное натяжение между твердым телом и газом
γ SL   {\ displaystyle \ gamma _ {\ text {SL}} \} = Межфазное натяжение между твердым телом и жидкостью
γ LG   {\ displaystyle \ gamma _ {\ text {LG}} \} = Межфазное натяжение между жидкостью и газом

θ можно измерить с помощью гониометра угла смачивания.

Венцель определил, что, когда жидкость находится в тесном контакте с микроструктурированной поверхностью, θ изменится на θ W *

потому что θ W * знак равно р потому что θ {\ Displaystyle \ соз \ тета _ {W} * = г \ соз \ тета \,}

где r - отношение фактической площади к проектируемой. Уравнение Венцеля показывает, что микроструктурирование поверхности усиливает естественную тенденцию поверхности. Гидрофобная поверхность (та, которая имеет исходный угол смачивания более 90 °) становится более гидрофобной при микроструктурировании - ее новый угол смачивания становится больше, чем исходный. Однако гидрофильная поверхность (та, которая имеет исходный угол смачивания менее 90 °) становится более гидрофильной при микроструктурировании - ее новый угол смачивания становится меньше исходного. Кэсси и Бакстер обнаружили, что если жидкость находится во взвешенном состоянии на вершинах микроструктур, θ изменится на θ CB *:

потому что θ CB * знак равно φ ( потому что θ + 1 ) - 1 {\ displaystyle \ cos \ theta _ {\ text {CB}} * = \ varphi (\ cos \ theta +1) -1 \,}

где φ - доля площади твердого тела, соприкасающегося с жидкостью. Жидкость в состоянии Кэсси – Бакстера более подвижна, чем в состоянии Венцеля.

Мы можем предсказать, должно ли существовать состояние Венцеля или Кэсси – Бакстера, вычислив новый угол смачивания по обоим уравнениям. Путем минимизации аргумента о свободной энергии соотношение, которое предсказало меньший новый угол смачивания, является наиболее вероятным состоянием. С математической точки зрения, для существования состояния Кэсси – Бакстера должно выполняться следующее неравенство.

потому что θ lt; φ - 1 р - φ {\ displaystyle \ cos \ theta lt;{\ frac {\ varphi -1} {r- \ varphi}}}

Недавний альтернативный критерий для состояния Кэсси-Бакстера утверждает, что состояние Кэсси-Бакстера существует, когда выполняются следующие 2 критерия: 1) силы контактной линии преодолевают массовые силы веса неподдерживаемой капли и 2) микроструктуры достаточно высоки, чтобы не допустить попадания жидкости который связывает микроструктуры от соприкосновения с основанием микроструктур.

Недавно был разработан новый критерий переключения между состояниями Венцеля и Кэсси-Бакстера, основанный на шероховатости поверхности и поверхностной энергии. Критерий фокусируется на способности удерживать воздух под каплями жидкости на шероховатых поверхностях, что позволяет определить, следует ли использовать модель Венцеля или модель Кэсси-Бакстер для определенного сочетания шероховатости поверхности и энергии.

Угол смачивания является мерой статической гидрофобности, а гистерезис угла смачивания и угол скольжения являются динамическими мерами. Гистерезис краевого угла - это явление, характеризующее неоднородность поверхности. Когда пипетка впрыскивает жидкость в твердое тело, жидкость образует некоторый контактный угол. По мере того, как пипетка впрыскивает больше жидкости, капля будет увеличиваться в объеме, угол смачивания будет увеличиваться, но ее трехфазная граница будет оставаться неподвижной, пока она внезапно не продвинется наружу. Угол контакта, который имела капля непосредственно перед продвижением наружу, называется краевым углом продвижения. Угол смачивания смачивания теперь измеряется путем откачки жидкости обратно из капли. Капля уменьшится в объеме, угол смачивания уменьшится, но ее трехфазная граница будет оставаться неподвижной, пока она внезапно не отступит внутрь. Угол смачивания, который капля непосредственно перед уходом внутрь, называется углом смачивания. Разница между углами смачивания и отступления называется гистерезисом угла смачивания и может использоваться для характеристики неоднородности, шероховатости и подвижности поверхности. Неоднородные поверхности будут иметь домены, препятствующие движению линии контакта. Угол скольжения является еще одним динамическим показателем гидрофобности и измеряется путем нанесения капли на поверхность и наклона поверхности до тех пор, пока капля не начнет скользить. В общем, жидкости в состоянии Кэсси-Бакстера демонстрируют более низкие углы скольжения и гистерезис краевого угла, чем жидкости в состоянии Венцеля.

Исследования и разработки

Файл: A-simple-and-fast-производителя-a-both-self-cleanable-and-deep-UV-antireflective-quartz-1556-276X-7-430-S1.ogv. Воспроизвести медиа Капли воды скатываются по наклонной гидрофобной поверхности. Файл: Hydrophoby2.webm Воспроизвести медиа Капли воды на искусственной гидрофобной поверхности (слева)

Деттре и Джонсон обнаружили в 1964 году, что явление супергидрофобного эффекта лотоса связано с грубыми гидрофобными поверхностями, и разработали теоретическую модель, основанную на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером TFE. Самоочистки свойства супергидрофобной микро- наноструктурированных поверхности сообщались, в 1977 г. Perfluoroalkyl, перфторполиэфир и РФ плазмы -formed были разработаны сверхгидрофобные материалы, используемые для электросмачивания и коммерциализации для биомедицинских применений между 1986 и 1995 Другими технологиями и приложениями, возникла с середины 1990-х гг. В 2002 году была раскрыта прочная супергидрофобная иерархическая композиция, наносимая в один или два этапа, включающая наноразмерные частицы ≤ 100 нанометров, покрывающие поверхность, имеющую элементы микрометрового размера, или частицы ≤ 100 микрометров. Наблюдалось, что более крупные частицы защищают более мелкие частицы от механического истирания.

В недавнем исследовании, superhydrophobicity сообщалось, позволяя алкилкетенов димер (АКД), чтобы затвердеть в наноструктурированных фрактальной поверхности. С тех пор во многих статьях были представлены способы изготовления супергидрофобных поверхностей, включая осаждение частиц, золь-гель методы, плазменную обработку, осаждение из паровой фазы и методы литья. Текущие возможности для воздействия исследований лежат в основном в фундаментальных исследованиях и практическом производстве. В последнее время возникли споры о применимости моделей Венцеля и Кэсси – Бакстера. В эксперименте, призванном оспорить перспективу поверхностной энергии модели Венцеля и Кэсси-Бакстера и продвигать перспективу линии контакта, капли воды помещались на гладкое гидрофобное пятно в грубом гидрофобном поле, грубое гидрофобное пятно в гладком гидрофобном поле. и гидрофильное пятно в гидрофобном поле. Эксперименты показали, что химический состав поверхности и геометрия на линии контакта влияют на угол смачивания и гистерезис угла смачивания, но не влияет на площадь поверхности внутри линии контакта. Также был предложен аргумент, что повышенная неровность линии контакта увеличивает подвижность капель.

Многие гидрофобные материалы, встречающиеся в природе, основаны на законе Кэсси и являются двухфазными на субмикронном уровне с однокомпонентным воздухом. Эффект лотоса основан на этом принципе. На его основе было создано множество функциональных супергидрофобных поверхностей.

Примером бионического или биомиметического супергидрофобного материала в нанотехнологиях является нанопиновая пленка.

В одном исследовании представлена поверхность пятиокиси ванадия, которая обратимо переключается между супергидрофобностью и супергидрофильностью под действием УФ-излучения. Согласно исследованию, любая поверхность может быть модифицирована для этого путем нанесения суспензии розообразных частиц V 2 O 5, например, с помощью струйного принтера. И снова гидрофобность вызывается межслойными воздушными карманами (разделенными расстоянием 2,1 нм ). Также объясняется УФ-эффект. Ультрафиолетовый свет создает пары электрон-дырка, при этом дырки реагируют с кислородом решетки, создавая кислородные вакансии на поверхности, в то время как электроны восстанавливают V 5+ до V 3+. Кислородные вакансии заполняются водой, и именно эта водопоглощение поверхностью ванадия делает ее гидрофильной. При длительном хранении в темноте вода заменяется кислородом, и гидрофильность снова теряется.

Значительному большинству гидрофобных поверхностей гидрофобные свойства придаются структурной или химической модификацией поверхности объемного материала с помощью покрытий или обработки поверхности. Другими словами, наличие молекулярных частиц (обычно органических) или структурных особенностей приводит к высоким краевым углам смачивания воды. В последние годы было показано, что оксиды редкоземельных элементов обладают собственной гидрофобностью. Собственная гидрофобность оксидов редкоземельных элементов зависит от ориентации поверхности и уровней кислородных вакансий и, естественно, более прочна, чем покрытия или обработка поверхности, имея потенциальное применение в конденсаторах и катализаторах, которые могут работать при высоких температурах или в агрессивных средах.

Приложения и потенциальные приложения

Гидрофобный бетон производится с середины 20 века.

Активные недавние исследования супергидрофобных материалов могут в конечном итоге привести к большему количеству промышленных применений.

Сообщалось о простой процедуре покрытия хлопчатобумажной ткани частицами диоксида кремния или диоксида титана с помощью золь-гелевой техники, которая защищает ткань от УФ-излучения и делает ее супергидрофобной.

Сообщалось об эффективном режиме для придания полиэтилена супергидрофобности и, следовательно, самоочищающегося. 99% грязи на такой поверхности легко смываются.

Узорчатые супергидрофобные поверхности также могут быть использованы для создания микрожидкостных устройств «лаборатория на кристалле» и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ.

В фармацевтике гидрофобность фармацевтических смесей влияет на важные характеристики качества конечных продуктов, такие как растворение лекарственного средства и твердость. Были разработаны методы измерения гидрофобности фармацевтических материалов.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-19 11:51:19
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте