Войти
Капля на поверхности лотоса с углом контакта более 146 °. 
Воспроизвести медиа Капля воды, падающая на супергидрофобную эластичную поверхность. Ультрагидрофобные (или супергидрофобные ) поверхности очень гидрофобны, т.е. их чрезвычайно трудно намочить. углы контакта капли воды на ультрагидрофобном материале превышают 150 °. Это также упоминается как эффект лотоса после супергидрофобных листьев растения лотоса. Капля, ударяющаяся о такие поверхности, может полностью отскочить, как упругий мяч. Взаимодействие отскакивающих капель можно дополнительно уменьшить, используя специальные супергидрофобные поверхности, которые способствуют нарушению симметрии, отскоку блинов или отскоку водяного шара.
В 1805 году Томас Янг определил краевой угол θ путем анализа сил, действующих на каплю жидкости, покоящуюся на гладкой твердой поверхности, окруженной газом.
Капля жидкости опирается на твердую поверхность и окружена газом. Краевой угол θ C - это угол, образованный жидкостью на границе трех фаз, где жидкость, газ и твердое тело пересекаются. 
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 находится на вершинах выступов, она находится в состоянии Кэсси-Бакстера. 
где
= Межфазное натяжение между твердым телом и газом
= Межфазное натяжение между твердым телом и жидкостью
= Межфазное натяжение между жидкостью и газомθ можно измерить с помощью гониометра угла контакта.
. Венцель определил, что, когда жидкость находится в тесном контакте с микроструктурированной поверхностью, θ изменится на θ W*
где r - отношение фактической площади к предполагаемой площади. Уравнение Венцеля показывает, что микроструктурирование поверхности усиливает естественную тенденцию поверхности. Гидрофобная поверхность (та, которая имеет исходный угол контакта больше 90 °) становится более гидрофобной при микроструктурировании - ее новый угол контакта становится больше, чем у оригинала. 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 *
где φ - доля площади твердого тела, соприкасающегося с жидкостью. Жидкость в состоянии Кэсси-Бакстера более подвижна, чем в состоянии Венцеля.
Можно предсказать, должно ли существовать состояние Венцеля или Кэсси-Бакстера, вычислив новый угол смачивания по обоим уравнениям. Путем минимизации аргумента о свободной энергии соотношение, которое предсказывало меньший новый угол смачивания, является наиболее вероятным состоянием. С математической точки зрения, для существования состояния Кэсси-Бакстера должно выполняться следующее неравенство.
Недавний альтернативный критерий для состояния Кэсси-Бакстера утверждает, что состояние Кэсси-Бакстера существует, когда следующие 2 соблюдены следующие критерии: 1) силы контактной линии преодолевают массовые силы веса неподдерживаемой капли и 2) микроструктуры достаточно высоки, чтобы жидкость, соединяющая микроструктуры, не касалась основания микроструктур.
Угол контакта является мерой статической гидрофобности и 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 увеличится, 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 будет уменьшаться в объеме, угол смачивания уменьшится, но ее трехфазная граница останется неподвижной, пока она внезапно не отступит внутрь. Угол контакта, который имела 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 области, затрудняющие движение 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. Жидкости в состоянии Кэсси-Бакстера обычно демонстрируют более низкие углы скольжения и гистерезис угла контакта, чем жидкости в состоянии Венцеля.
Простая модель может использоваться для прогнозирования эффективности синтетической микро- или нанотехнологической поверхности для ее условного состояния (Венцеля или Кэсси-Бакстера), угла смачивания и гистерезиса угла смачивания. Основным фактором этой модели является плотность контактных линий Λ, которая представляет собой общий периметр выступов на заданной единице площади.
Образец гидрофобной поверхности, состоящей из квадратных столбиков. Λ = 4x / y Критическая плотность линии контакта Λ c является функцией телесных и поверхностных сил, а также площади проекции капли.
где
Если Λ>Λ c, капли подвешены в Cassie- Состояние Бакстера. В противном случае капля схлопнется до состояния Венцеля.
Для расчета обновленных углов смачивания при продвижении и отступлении в состоянии Кэсси-Бакстера можно использовать следующие уравнения.
с также состоянием Венцеля:
где
М. Носоновский и Б. Бушан изучали влияние унитарных (неиерархических) структур микрошероховатости и наношероховатости, а также иерархических структур (микрошероховатость, покрытая наношероховатостью). Они обнаружили, что иерархическая структура была необходима не только для высокого угла смачивания, но и для стабильности границ раздела вода-твердое тело и вода-воздух (композитный интерфейс). Из-за внешнего возмущения на границе жидкость – воздух может образоваться стоячая капиллярная волна. Если амплитуда капиллярной волны больше высоты выступа, жидкость может коснуться впадины между выступами; и если угол, под которым жидкость входит в контакт с твердым телом, больше, чем h0, для жидкости энергетически выгодно заполнить долину. Эффект капиллярных волн более выражен для небольших выступов высотой, сопоставимой с амплитудой волны. Пример этого виден в случае унитарной шероховатости, где амплитуда шероховатости очень мала. Поэтому вероятность нестабильности унитарного интерфейса будет очень высокой. Однако в недавнем исследовании Эяль Биттун и Абрахам Мармур обнаружили, что многомасштабная шероховатость не обязательно важна для супергидрофобности, но полезна для механической стабильности поверхности.
Многие очень гидрофобные материалы найденные в природе, полагаются на закон Кэсси и являются двухфазными на субмикронном уровне. Тонкие волоски на некоторых растениях гидрофобны, они предназначены для использования растворяющих свойств воды для притягивания и удаления грязи, блокирующей солнечный свет, с их фотосинтетических поверхностей. Вдохновленный этим эффектом лотоса, было разработано множество функциональных супергидрофобных поверхностей.
Водомерки - это насекомые, которые живут на поверхностной пленке воды, и их тела эффективно несмачиваемый из-за специализированных волосяных покровов, называемых гидрофугой ; многие поверхности их тела покрыты этими специализированными «ворсинками», состоящими из крошечных волосков, расположенных так близко друг к другу, что на 1 мм приходится более тысячи микроволокон, что создает гидрофобную поверхность. Подобные поверхности гидрофуги известны и у других насекомых, в том числе водных насекомых, которые проводят большую часть своей жизни под водой, с гидрофобными волосками, препятствующими попаданию воды в их дыхательную систему.
Некоторые птицы отлично плавают из-за гидрофобного покрытия перьев. Пингвины покрыты слоем воздуха и могут выпустить захваченный воздух, чтобы быстро ускориться, когда им нужно выпрыгнуть из воды и приземлиться на возвышенности. Ношение воздушного пальто во время плавания снижает сопротивление, а также действует как теплоизолятор.
Воспроизведение носителя Вырезание капли воды с помощью супергидрофобного ножа на супергидрофобных поверхностях. 
Воспроизведение носителя Капли воды скатываются под углом 5% супергидрофобная поверхность. Деттре и Джонсон в 1964 году обнаружили, что явление супергидрофобного эффекта лотоса связано с шероховатыми гидрофобными поверхностями, и разработали теоретическую модель, основанную на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером TFE. О самоочищающихся свойствах супергидрофобных микро- наноструктурированных поверхностей было сообщено в 1977 году. Были разработаны супергидрофобные материалы, образованные перфторалкилом, перфторполиэфиром и высокочастотной плазмой, которые используются для электросмачивания и коммерциализированы для биомедицинских применений. между 1986 и 1995 гг. Другие технологии и приложения появились с середины 1990-х годов. В 2002 году была раскрыта прочная супергидрофобная иерархическая композиция, наносимая в один или два этапа, включающая наноразмерные частицы ≤ 100 нанометров, покрывающие поверхность с элементами микрометрового размера, или частицы ≤ 100 мкм. Наблюдалось, что более крупные частицы защищают более мелкие частицы от механического истирания. В 2012 году были разработаны прочные, оптически прозрачные супергидрофобные и олеофобные покрытия, содержащие наночастицы размером от 10 до 100 нм.
Исследования супергидрофобности недавно ускорились благодаря письму, в котором сообщается о искусственных супергидрофобных образцах, полученных с использованием алкилкетена димер (AKD) для затвердевания в наноструктурированную фрактальную поверхность. С тех пор во многих статьях представлены способы изготовления супергидрофобных поверхностей, включая осаждение частиц, методы золь-гель, 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 в контактной линии влияют на краевой угол и гистерезис контактного угла, но не влияет на площадь поверхности внутри контактной линии. Также был предложен аргумент о том, что повышенная неровность линии контакта увеличивает подвижность капель. В одном из методов экспериментального измерения неровностей контактной линии используется металл с низкой температурой плавления, расплавленный и нанесенный на поверхности с микро / наноструктурой. Когда металл остынет и застынет, его снимают с поверхности. перевернутый и проверен на микрогеометрию линии контакта.
Было приложено несколько усилий для изготовления поверхности с регулируемой смачиваемостью. С целью самопроизвольной подвижности капель поверхность может быть изготовлена с различной шириной башни и расстояниями, чтобы постепенно увеличивать свободную энергию поверхности. Тенденция показывает, что по мере увеличения ширины башни барьер свободной энергии становится больше, а угол смачивания падает, снижая гидрофобность материала. Увеличение расстояния между опорами увеличивает угол контакта, но также увеличивает барьер свободной энергии. Капли естественным образом движутся к областям со слабой гидрофобностью, поэтому для того, чтобы капля самопроизвольно перемещалась из одного места в другое, идеальная поверхность должна состоять из башен малой ширины с большим расстоянием до башен большой ширины с небольшим промежутком. Одно из предостережений в отношении этого самопроизвольного движения - сопротивление движению неподвижных капель. Первоначальное движение капли требует внешнего стимула, от чего-то столь же большого, как вибрация поверхности, или такого маленького, как простой «толчок» шприца, когда он высвобождается из иглы.
Пример легко регулируемой смачиваемости можно найти у специально разработанных тканей. При растяжении коммерческой ткани с покрытием погружением углы смачивания обычно увеличивались. Во многом это вызвано увеличением расстояния между башнями. Однако эта тенденция не продолжается в сторону большей гидрофобности при более высоком напряжении. В конце концов, состояние Кэсси-Бакстера достигает нестабильности и переходит в состояние Венцеля, пропитывая ткань.
Примером биомиметического супергидрофобного материала в нанотехнологии является нанопиновая пленка. В одном исследовании представлена поверхность пятиокиси ванадия, которая может обратимо переключаться между супергидрофобностью и супергидрофильностью под действием УФ-излучения. Согласно исследованию, любая поверхность может быть модифицирована с этой целью путем нанесения суспензии розообразных частиц V 2O5, например, с помощью струйного принтера . И снова гидрофобность вызывается межслойными воздушными карманами (разделенными расстояниями 2,1 нм ). Также объясняется УФ-эффект. Ультрафиолетовый свет создает электронно-дырочные пары, при этом дырки реагируют с кислородом решетки, создавая кислородные вакансии на поверхности, в то время как электроны восстанавливают V до V. Кислородные вакансии заполняются водой, и эта водопоглощающая способность поверхностью ванадия делает это гидрофильный. При длительном хранении в темноте вода заменяется кислородом, и снова теряется гидрофильность.
Другой пример биомиметической поверхности включает в себя микросцветки на обычных полимерных поликарбонатах. Микро / нанобинарные структуры (MNBS) имитируют типичную микро / наноструктуру листа лотоса. Эти микроцветы обладают наноразмерными характеристиками, которые усиливают гидрофобность поверхности без использования покрытий с низкой поверхностной энергией. Создание супергидрофобной поверхности за счет индуцированного паром разделения фаз при различных относительных влажностях окружающей среды вызывало аналогичное изменение угла смачивания поверхности. Подготовленные поверхности обеспечивают углы контакта более 160 ° с типичными углами скольжения около 10 °. Недавнее исследование выявило на листе таро микроструктуры, напоминающие соты, которые делают лист супергидрофобным. Измеренный угол контакта на листе таро в этом исследовании составляет около 148 градусов.
Покрытия с низкой поверхностной энергией также могут обеспечивать супергидрофобную поверхность. Самособирающееся однослойное покрытие (SAM) может обеспечить такие поверхности. Для поддержания гидрофобной поверхности головные группы плотно связываются с поверхностью, в то время как гидрофобные мицеллы простираются далеко от поверхности. Изменяя количество SAM, которое вы наносите на подложку, можно изменять степень гидрофобности. Конкретные супергидрофобные SAM имеют гидрофобную головную группу, связывающуюся с субстратом. В одной из таких работ 1-додекантиол (DT; CH 3 (CH 2)11SH) собран на композитной подложке Pt / ZnO / SiO 2, создавая угол смачивания 170,3 °. Монослои также могут быть удалены с помощью источника УФ-излучения, что снижает гидрофобность.
Супергидрофобные поверхности могут стабилизировать эффект Лейденфроста, делая паровой слой стабильным. Установлено, что охлаждение никогда не разрушает слой, и пузырькового кипения не происходит; вместо этого слой медленно расслабляется, пока поверхность не остынет.
Изготовление супергидрофобных полимерных поверхностей с контролируемой геометрией может быть дорогостоящим и трудоемким, но небольшое количество коммерческих источников предоставляют образцы для исследовательских лабораторий.
Испытание супергидрофобной краски. Активные недавние исследования супергидрофобных материалов могут в конечном итоге привести к промышленному применению. Некоторые попытки изготовления супергидрофобной поверхности включают имитацию листа лотоса поверхность, а именно двухуровневая характеристика. Для этого требуются микромасштабные поверхности с типичными наноразмерными элементами поверх них. Например, описана простая процедура покрытия хлопчатобумажной ткани частицами диоксида кремния или диоксида титана методом золь-гель, который защищает ткань от УФ-излучения и делает его супергидрофобным. Точно так же наночастицы кремнезема могут быть нанесены поверх уже гидрофобной углеродной ткани. Сама по себе углеродная ткань определяется как гидрофобная по своей природе, но не считается супергидрофобной, поскольку ее угол контакта не превышает 150 °. Благодаря адгезии наночастиц кремнезема достигаются углы смачивания до 162 °. Использование наночастиц диоксида кремния также представляет интерес для разработки прозрачных гидрофобных материалов для лобовых стекол автомобилей и самоочищающихся окон. Покрывая уже прозрачную поверхность нанокремнеземом с содержанием около 1 мас.%, Углы смачивания капель могут быть увеличены до 168 ° с углом скольжения 12 °.
Сообщалось об эффективной методике изготовления линейного полиэтилена низкой плотности супергидрофобным и, следовательно, самоочищающимся; 99% грязи, осевшей на такой поверхности, легко смываются. Узорчатые супергидрофобные поверхности также могут быть использованы для создания микрожидкостных устройств «лаборатория на кристалле» и могут значительно улучшить биоанализ на основе поверхности. В текстильной промышленности под супергидрофобностью понимают статические углы скатывания воды не более 20 °. Примером супергидрофобного эффекта в живом применении является команда Alinghi на Кубке Америки, использующая специально обработанные парусные куртки. Обработка основана на частицах микрометрового размера в сочетании с традиционной химией фтора.
Недавно была разработана супергидрофобная бумага, которая обладает уникальными свойствами для ее применения в бумажной электронике и медицинской промышленности. Бумага синтезирована в среде, не содержащей органических веществ, что делает ее экологически чистой. Бумага обладает антимикробными свойствами, так как не удерживает влагу, поэтому идеально подходит для хирургических операций. Эта статья может стать огромным прорывом для бумажной электронной промышленности. Устойчивость к водным и органическим растворителям делает его идеальным выбором для разработки электронных датчиков и микросхем. Обнаружение аналитов на коже теперь возможно без повреждения и постоянной замены электродов, так как эта бумага будет защищена от пота. Эта область материаловедения, с ее бесконечным разнообразием применений, несомненно, требует большего изучения.
Недавнее применение гидрофобных структур и материалов связано с разработкой микрочипов топливных элементов. Реакции внутри топливного элемента приводят к образованию отработанного газа CO 2, который может быть выпущен через эти гидрофобные мембраны. Мембрана состоит из множества микрополостей, которые позволяют газу выходить, а ее гидрофобная характеристика предотвращает утечку жидкого топлива. Втекает больше топлива, чтобы заменить объем, ранее сохраненный отходящим газом, и реакции позволяют продолжаться.
Хорошо известно применение ультрагидрофобных поверхностей в теплообменниках, где они могут улучшить отделение капель и даже вызвать скачкообразную конденсацию, что может быть использовано в энергетических установках, системах отопления и кондиционирования воздуха, а также опреснении. Оксиды редкоземельных элементов, которые, как обнаружено, обладают по своей природе гидрофобными поверхностями, представляют собой альтернативу поверхностным покрытиям, позволяя разрабатывать термостойкие гидрофобные поверхности для теплообменников, работающих при высокой температуре. Ультрагидрофобные опреснительные мембраны для мембранной дистилляции также были изготовлены для улучшенного сопротивления обрастанию, которые могут быть эффективно изготовлены с помощью химического осаждения из паровой фазы.
Также было высказано предположение, что супергидрофобные поверхности могут также отталкивать лед или предотвращать накопление льда, что приводит к явлению ледофобности. Однако не всякая супергидрофобная поверхность является ледяной, и этот подход все еще находится в стадии разработки. В частности, образование инея по всей поверхности неизбежно в результате нежелательного распространения волны замерзания между каплями, инициированной краями образца. Более того, образование наледи непосредственно приводит к увеличению налипания наледи, создавая серьезные проблемы для последующего процесса размораживания. За счет создания иерархической поверхности распространение волны замерзания между каплями может быть подавлено, тогда как удаление льда / инея может быть стимулировано. Улучшенные характеристики в основном обусловлены активацией микромасштабного краевого эффекта на иерархической поверхности, который увеличивает энергетический барьер для образования ледяных мостиков, а также вызывает жидкую смазку во время процесса удаления льда / размораживания.
упаковка для полного опорожнения вязкой жидкости в некоторой степени зависит от поверхностной энергии внутренних стенок контейнера. Использование супергидрофобных поверхностей полезно, но может быть дополнительно улучшено за счет использования новых поверхностей, пропитанных смазкой.
