Υπερυγρόφοβες επιφάνειες

Περικλής Παπαδόπουλος

1

Βιομιμητικά υλικά

• Φαινόμενο φύλλου λωτού

– σχεδόν σφαιρικές σταγόνες

• Ελαιόφοβα κελύφη εντόμων

– springtail, κολλέμβολα

• Ολισθηρές επιφάνειες σαρκοβόρων φυτών

– Νηπενθές

2By Anand2202, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49813424

Αέρας κάτω από σταγόνες

Bhushan B. et al., Phil. Trans. R. Soc. A (2009) 367, 1631

Koch K., Barthlott W. Phil. Trans. R. Soc. A (2009) 367, 1487-15093

• Υδρόφοβο φύλλο λωτού

• Μικρές προεξοχές, φυτικό κερί

Σκοπός της έρευνας

• Σταθεροποίηση της υγροφοβικότητας έναντι– διείσδυσης λόγω πίεσης– συμπύκνωσης ατμών– μηχανικής καταστροφής

• Εξέλιξη επιφανειών που είναι αποτελεσματικές και σε υγρά πολύ χαμηλής επιφανειακής τάσηςγ < 20 mN/m– δεν υπάρχει φυσική επιφάνεια

• Εφαρμογές: αυτοκαθαριζόμενες, αντιπαγωτικές &αντιβακτηριδιακές επιστρώσεις,μείωση αντίστασης ροής σε σωλήνες, μεμβράνες ανταλλαγής αερίων

4

Μεγάλη υστέρηση

Τουλάχιστον μετασταθής

πάντα σταθερή για λάδια

Μεγάλη γωνία συνεπαφής

Μικρή υστέρηση

Έυκολη απομάκρυνση

Συνήθως μετασταθής ή ασταθής

Δύο ανταγωνιστικέςκαταστάσεις διαβροχής

Wenzel 1936Cassie & Baxter 1944

5

Γωνία συνεπαφής (λεία επιφάνεια)

• Χαρακτηρίζει τις ιδιότητες της επιφάνειας

• Ισορροπία στη γραμμή συνεπαφής 3 φάσεων

• Εξίσωση Young:

• Η γωνία εξηγεί όλη τη θερμοδυναμική;

6

Θ0

0cosL S SL = −

L

SSL

Γωνιόμετρο

• Γωνία συνεπαφής, υστέρηση

• Επιφανειακής τάσης

7

Μακροσκοπική γωνία συνεπαφής

1 mm

Cassie Wenzel

προϊούσα

οπισθοχωρούσα

165°

102°

152°

75°

8

Έρευνα: μοντέλα

• Προεξοχές από κατακόρυφους στύλους

• Μικρή επιφάνεια επαφής υγρού – στερεού

• Χημική επεξεργασία επιφάνειας

– φθοριωμένα ολιγομερή / πολυμερή

– αλκυλομάδες

– σιλικόνες

9

Καθορισμένη τραχύτητα

• Φωτολιθογραφία

• Μεταβαλλόμενη γεωμετρία

200 µm

25

µm

25

µm

40 µm

10Συνεργασία: Gabriele Schäfer, Max Planck Institute for Polymer Research, Mainz, Germany

Συνεστιακή μικροσκοπία

• Τρισδιάστατη δομή

– Ανακλάσεις από διεπιφάνειες

– Φθορισμός από βαφές σε νερό και στερεό

Ανάλυση

500 nm

200 nm

νερό

στύλοι

11

Συνεργάτις: Σοφία Μπέλλου, ΙΒΕΙ

Διεπιφάνεια νερού – αέρα

• Καμπύλη

• Πόσο σταθερή είναι η κατάσταση Cassie;

Στύλοι, νερό, ανάκλαση

z × 4

hmin

90 water

air

200 µm

12

Βέλτιστη δομή

• Για μεγάλη γωνία συνεπαφήςμικρό κλάσμα στερεού

• Για μεγάλη κρίσιμη πίεσημεγάλο

• Και τα δύο ταυτόχρονα: νανοδομές

13

2 2a d

2a d

H.-J. Butt, D. Vollmer, and P. Papadopoulos,Adv. Colloid Interf. Sci. 222, 104–109 (2015).

N. Tretyakov, P. Papadopoulos, D. Vollmer, H.-J. Butt, B. Dünweg, and K. C. Daoulas,J. Chem. Phys. 145, 134703 (2016).

a

d

Έυκαμπτες προεξοχές

• Αλλαγή σχήματος προεξοχών

• Βελτιώνεται η σταθερότητα και η γωνία συνεπαφής

14

-2 -1 0

0

5

10

15

20

z (

µm

)

x (µm)

rimunder

the drop

Υπερυγρόφοβες επιφάνειες

• Πρόβλημα: σε κάθε λεία επιφάνειαγια κάθε «έλαιο»

• Υπάρχουν όμως ελαιόφοβαέντομα

15

90

90

Helbig, R.; Nickerl, J.; Neinhuis, C.; Werner, C. PLoS ONE 2011, 6, e25105.

Νανοσωματίδια

16

θ

Λιγότερο σταθερή CassieΕύκολη κατασκευή

• Π.χ. αιθάλη, ή fumed silica

– μπορεί να γίνει υδρόφοβο με φθοριωμένα πολυμερή

Νερό• Μικροσκοπία συμβολής

– confocal με άλλες ρυθμίσεις

– ανάστροφο μικροσκόπιο

• Βάθος διείσδυσης υγρού με ανάλυση nm

250 µm

17P. Papadopoulos, D. Vollmer, H.-J. Butt, Phys. Rev. Lett. 117, 046102 (2016)

Μακροπρόθεσμη σταθερότητα

• Βάθος που αντιστοιχεί σε αρκετά νανοσωματίδια

100 101 102 103 104 105

0.0

0.2

0.4

0.6

δεκάνιο

depth

(µm

)z

t (s) 18

Γιατί δεν είναι σταθερή η κατάσταση Cassie;

• Το ενεργειακό φράγμα είναι της τάξεως ~ 100 kBT

• Ανάλογο του μεγέθους των προεξοχών

19

Συμπεράσματα

• Οι υπερυγρόφοβες επιφάνειες χρειάζονται «κρεμαστές» προεξοχές

• Νανοδομές για μεγάλη κρίσιμη πίεση

• Ανοιχτά ερωτήματα

– Διαφορετικές ιδιότητες διαβροχής σε κλίμακα nm;

– Ποιες είναι οι μικρότερες χρήσιμες διαστάσεις;

– Πώς μπορεί να βελτιωθεί η μακροπρόθεσμη σταθερότητα;

20