гидрофобной части - Hydrophobe


Из Википедии, свободной энциклопедии
165 градусов угол контакта с водой на поверхности модифицированной с помощью плазменной технологии Система поверхностной химии. Угол контакта красный угол плюс 90 градусов.
Dew капли на гидрофобной поверхности листа
Резка капли воды с помощью сверхгидрофобного ножа на супергидрофобных поверхностях
Капли воды на гидрофобной поверхности травы

В химии , гидрофобность это физическое свойство молекулы (известная как гидрофобный ) , который , казалось бы , отталкивается от массы воды . (Строго говоря, нет силы отталкивания участвуют;. Это отсутствие притяжения) В отличие от этого , гидрофилы притягиваются к воде.

Гидрофобные молекулы , как правило, неполярные и, таким образом, предпочитают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители . Поскольку молекулы воды являются полярными, гидрофобные не растворяются хорошо среди них. Гидрофобные молекулы в воде часто группируются вместе, образуя мицеллы . Вода на гидрофобных поверхностях будет демонстрировать высокий угол контакта .

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

Гидрофобный часто используются как взаимозаменяемые с липофильный , «жир любя». Тем не менее, эти два термина не являются синонимами. В то время как гидрофобные вещества, как правило , липофильные, есть исключения, такие как силиконы и фторуглероды .

Термин гидрофобные происходит от древнегреческого ὑδρόφοβος, «имея ужас воды», построенный из ὕδωρ, «воды», и φόβος, «страха».

Химический фон

Гидрофобное взаимодействие является главным образом энтропийным эффектом , происходящим из разрушения высоко динамических водородных связей между молекулами воды с помощью жидкой неполярного растворенного вещества , образующего клатрат -подобной структуры вокруг неполярных молекул. Эта структура формируется более высоко упорядоченная , чем свободные молекулы воды из - за молекулы воды расположения себя , чтобы взаимодействовать как можно больше с собой, и , таким образом , приводит к более высокому энтропийному состоянию , которое вызывает неполярные молекулы группироваться вместе , чтобы уменьшить площадь поверхности , обнаженную к воде и уменьшение энтропии системы. Таким образом, 2 несмешивающихся фазы (гидрофильные по сравнению с гидрофобным) будут изменяться таким образом , что их соответствующая площадь поверхности раздела будет минимальной. Этот эффект может быть визуализированы в явление называется фазовым разделением.

Superhydrophobicity

Капля воды на завод листьев лотоса.

Супергидрофобных поверхности, такие как листья растения лотоса, являются те , которые являются чрезвычайно трудно смачивать. В углах смачивания капли воды превышает 150 °. Это упоминается как эффект лотоса , и это прежде всего физическое свойство связано с межфазного натяжения , а не химического свойства.

теория

В 1805 году Томас Юнг определил угол контакта & thetas путем анализа сил , действующих на жидкости покоя капли на твердой поверхности , окруженной газом.

Капли жидкости лежит на твердой поверхности и окружена газом. Контактный угол, θ С , представляет собой угол , образованный жидкостью на трехфазной границе , где жидкость, газ, твердое и пересекаются.
Каплю покоится на твердой поверхности и окружена газом образует характерный угол контакта  & thetas . Если твердая поверхность является грубой, и жидкость находится в непосредственном контакте с твердыми неровностями, капля находится в состоянии Wenzel. Если жидкость лежит на вершинах микронеровностей, он находится в состоянии Касси-Бакстера.

где

= Межфазное натяжение между твердым телом и газом
= Межфазное натяжение между твердым телом и жидкостью
= Межфазное натяжение между жидкостью и газом

θ может быть измерена с использованием контактного угла гониометра .

ВЕНЗЕЛЬ установлено , что , когда жидкость находится в непосредственном контакте с поверхностью микроструктурной, θ изменится на θ W *

где R представляет собой отношение фактической площади к площади проекции. Уравнение Венцеля показывает , что микроструктурировани поверхности усиливает естественную тенденцию поверхности. Гидрофобная поверхность (тот , который имеет оригинальный контактный угол больше 90 °) становится более гидрофобным , когда микроструктурированный - ее новый угол контакта становится больше , чем оригинал. Тем не менее, гидрофильная поверхность (тот , который имеет оригинальный угол контакта меньше чем 90 °) становится более гидрофильным , когда микроструктурированный - ее новый угол контакта станет меньше , чем оригинал. Касси и Бакстер обнаружил , что если жидкость подвешен на вершинах микроструктур, θ изменится на & thetas CB * :

где φ является доля площади твердого вещества, которая соприкасается с жидкостью. Жидкость в состоянии Касси-Бакстера более подвижна, чем в состоянии Wenzel.

Мы можем предсказать, должно ли государство Венцель или Касси-Бакстера существуют путем вычисления нового угла контакта с обоих уравнений. При минимизации свободной энергии аргумента, отношение предсказанного меньший новый угол контакта является государство, скорее всего, существует. Изложенные в математических терминах, для государства Касси-Бакстера существовать, выполняется неравенство должно быть правдой.

Недавний альтернативный критерий для государства Касси-Бакстера утверждает, что состояние Касси-Бакстера существует, если выполняются следующие 2 условия: 1) линии соприкосновения сил преодолеть тела силы неподдерживаемый веса капли и 2) Микроструктура достаточно высоки, чтобы предотвратить жидкость что мосты микроструктур от прикосновения к базе микроструктур.

Новый критерий для переключения между Венцеля и Касси-Бакстера государств была разработана недавно на основе шероховатости поверхности и поверхностной энергии. Критерием фокусируется на способности воздуха для улавливания при жидких капель на неровных поверхностях, которые могли бы сказать, следует ли использовать модель Венцель или модель Касси-Бакстера для определенной комбинации шероховатости поверхности и энергии.

Краевой углом является мерой статической гидрофобности, и угол контакта гистерезис и угол скольжения динамических мер. Краевой угол гистерезис представляет собой явление, которое характеризует поверхностную неоднородность. Когда пипетку впрыскивает жидкость на твердое вещество, жидкость будет образовывать некоторый угол контакта. По мере того как пипетка впрыскивает больше жидкости, капля будет увеличиваться в объеме, угол контакта будет возрастать, но его трехфазная граница будет оставаться неподвижной, пока он внезапно не продвигается наружу. Угол контакта капельки была непосредственно перед опережением наружу, называется наступающим контактный углом. Отступая угол контакта теперь измеряется путем откачки жидкости обратно из капли. Капелька будет уменьшаться в объеме, угол контакта будет уменьшаться, но его трехфазная граница будет оставаться неподвижной, пока он вдруг не отступает внутрь. Угол контакта капельки была непосредственно перед отступая внутрь называется удаляющимся углом контакта. Разница между продвижением и при отступлении углов контакта называется углом контакта гистерезис и может быть использована для характеристики поверхностной неоднородности, шероховатости и подвижности. Поверхности, которые не являются однородными будут иметь домены, которые препятствуют движению линии соприкосновения. Угла скольжения является еще одной мерой динамической гидрофобности и измеряется путем осаждения капли на поверхность и наклона поверхности до тех пор, пока капля начинает скользить. В общем случае, жидкости в состоянии Касси-Бакстера демонстрируют более низкие углы скольжения и контактный угол гистерезис, чем те, в состоянии Wenzel.

Исследование и разработка

Капли воды катиться по наклонной гидрофобной поверхности.
Капли воды на искусственной гидрофобной поверхности (слева)

Dettre и Джонсон обнаружили в 1964 году , что супергидрофобный эффект лотоса явление было связанно с грубыми гидрофобными поверхностями, и они разработали теоретическую модель , основанную на эксперименты со стеклянными шариками , покрытого парафином или ТФЭ теломером. Самоочистки свойства супергидрофобных микро- наноструктурированных поверхностей сообщались , в 1977 г. Perfluoroalkyl, перфторполиэфире и РФ плазмы -formed были разработаны сверхгидрофобные материалы, используемые для электросмачивания и коммерциализации для биомедицинских применений между 1986 и 1995 Другими технологиями и приложениями имеют появились с середины 1990 - х годов. Прочное супергидрофобными иерархическую композицию, наносить в один или два этапа, был раскрыт в 2002 году , содержащий частицы нано-размера ≤ 100 нм , наложенной на поверхность , имеющую микронного размера признаки или частицы ≤ 100 мкм. Более крупные частицы наблюдали , чтобы защитить мелкие частицы от механического износа.

В недавнем исследовании, superhydrophobicity сообщалось, позволяя алкилкетенов димер (АКД) затвердевать в наноструктурированных фрактальной поверхности. Много работ , так как представлены способы изготовления для изготовления супергидрофобные поверхностей , включая осаждение частиц, методов золь-гель, плазменной обработки, осаждения из паровой фазы, а также технологии литья. Текущие возможности для исследований влияния заключается , главным образом , в фундаментальных исследованиях и практическом производстве. Дебаты в последнее время появились относительно применимости моделей Венцеля и Касси-Бакстера. В эксперименте , предназначенном для оспаривания поверхностной энергии перспективы модели Венцеля и Касси-Бакстера и продвигать перспективу линии соприкосновения, капли воды были помещены на гладкой гидрофобной место в грубом гидрофобной области, грубое гидрофобный место в гладкой гидрофобной области, и гидрофильное место в гидрофобной области. Эксперименты показали , что химический состав поверхностных и геометрия на линии соприкосновения зависят контактный угол и угол контакта гистерезис, но площадь поверхности внутри линии соприкосновения не имели никакого эффекта. Аргумент , что увеличение зубчатости в линии соприкосновения повышает мобильность капельки также была предложена.

Многие гидрофобные материалы , найденные в природе опираются на закон Кэсси и двухфазный на уровне субмикронных с одним из компонентов воздуха. Эффект лотоса основан на этом принципе. Вдохновленный этим , было подготовлено много функциональных сверхгидрофобные поверхностей.

Примером бионического или биомиметического супергидрофобного материал в нанотехнологии является nanopin пленки .

Одно исследование представляет собой пятиокиси ванадия поверхность , которая переключает между обратимо superhydrophobicity и superhydrophilicity под воздействием УФ - излучения. Согласно исследованию, любая поверхность может быть изменена , чтобы этот эффект путем применением суспензии из розоподобных V 2 O 5 частиц, например , с помощью струйного принтера . Еще раз гидрофобность индуцируются межслойными воздушными карманами (разделенных на 2,1 нм расстояния). УФ - эффект также объясняется. УФ - свет создает электронно-дырочные пары , с отверстиями в реакцию с кислородом решетки, создавая на поверхности вакансий кислорода, в то время как электроны уменьшают V 5+ до V 3+ . Эти вакансии кислорода удовлетворяются водой, и именно эта вода впитывающий на поверхности ванадия , что делает его гидрофильным. При длительном хранении в темноте, вода замещается кислородом и гидрофильность снова потеряла.

Значительное большинство гидрофобных поверхностей имеет свои гидрофобные свойства придают структурной или химическую модификацией поверхности сыпучего материала, либо через покрытия или обработку поверхности. То есть, наличие молекулярных частиц ( как правило , органических) или структурных особенности приводят к высокому углу контакта воды. В последние года, редкоземельные оксиды были показаны, обладает собственной гидрофобностью. , Керамические поверхности , проявляющая гидрофобность более долговечны , чем покрытие или обработка поверхности, и имеют потенциальное применение в конденсаторах и катализаторах , которые могут работать при высоких температурах или агрессивных средах.

Области применения и возможности применения

Гидрофобный бетон выпускается с середины 20-го века.

Активное недавнее исследование супергидрофобных материалов может в конечном итоге привести к более промышленным применениям.

Простая процедура нанесения покрытия из хлопчатобумажной ткани с кремнезема или двуокиси титана частиц по золь-гель , как сообщается, который защищает ткань от УФ - света и делает его супергидрофобными.

Эффективная процедура сообщается для изготовления полиэтилена супергидрофобного и , таким образом , самоочищения. -99% от грязи , поглощенной на такой поверхности легко вымывается.

Шаблонные сверхгидрофобные поверхности также имеют перспективы для лаборатории-на-чипе микрофлюидальных устройств и может значительно улучшить поверхности на основе биоанализа.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка