En illustration visar den insandningsteknik som utvecklats på Rice för att göra material superhydrofoba. Enstegsmetoden med sandpapper och pulver ger också material förbättrade anti-isbildningsegenskaper. Kredit:Weiyin Chen
Vill du ha en yta som inte blir blöt? Ta lite sandpapper.
Rice University-forskare har utvecklat en enkel metod för att göra ytor superhydrofoba – det vill säga mycket vattenavvisande – utan de kemikalier som ofta används i sådana processer.
Deras teknik involverar sandpapper, ett urval av pulver och lite armbågsfett.
Rice-professorernas labb C. Fred Higgs III och James Tour, medförfattare till en artikel i American Chemical Society-tidskriften ACS Applied Materials and Interfaces , visade att slipning av en yta ökar dess förmåga att avge vatten utan att bli blöt. Men att samtidigt mala i ett pulver ger det hydrofoba superkrafter.
Ännu bättre, deras superhydrofoba ytor har också utmärkta anti-isningsegenskaper. De fann att det tog vatten 2,6 gånger längre tid att frysa på behandlade ytor jämfört med obehandlade material. De märkte också att is förlorade 40 % av sin vidhäftningsstyrka, även i temperaturer så låga som minus 31 grader Fahrenheit.
Hur väl en yta absorberar eller stöter bort vatten kan mätas genom att analysera kontaktvinkeln för droppar som lägger sig där. För att vara superhydrofobt måste ett material ha en vattenkontaktvinkel - den vinkel vid vilken vattenytan möter materialets yta - större än 150 grader. Ju större vulst, desto högre vinkel. En vinkel på noll grader är en pöl, medan en maximal vinkel på 180 grader är en sfär som precis nuddar ytan.
För att uppnå sin superstatus har hydrofoba material låg ytenergi samt en grov yta. Rice-teamets bästa material visade en kontaktvinkel på cirka 164 grader.
Higgs, vars labb är specialiserat på tribologi, studien av ytor i glidkontakt, sa att vissa typer av sandpapper kan ge ytråhet som främjar det önskade vattenavvisande eller hydrofobiska beteendet.
"Men Tour-gruppens idé att introducera utvalda pulvermaterial mellan gnidningsytorna under insandningsprocessen innebär att en tribofilm bildas," sa Higgs. "Det ger den extra bonusen att funktionalisera ytan för att stöta bort vatten allt mer."
En tribofilm bildas i en kemisk reaktion på ytor som glider mot varandra. Ytan på en motors kolv är ett bra exempel, sa han.
Higgs sa att slipning ruggar upp mjukare ytor och gör att pulvren kan fästa genom van der Waals krafter. "Dessa krafter är som störst när ytor kommer i nära kontakt", sa han. "Därför kan pulverpartiklar vidhäfta även efter att insandningsprocessen är klar."
Strukturella förändringar och mass- och elektronöverföring tycks sänka ytenergin hos de material som, före behandling, redan var antingen milt hydrofoba eller hydrofila, enligt forskarna.
Rice-teamet tillämpade tekniken på en mängd olika ytor (teflon, polyeten, polypropen, polystyren, polyvinylklorid och polydimetylsiloxan) med en mängd olika pulvertillsatser. Dessa inkluderade laserinducerad grafenfiber, turbostratisk flashgrafen, molybdendisulfid, teflon och bornitrid. En mängd olika sandpapper av aluminiumoxid användes, från 180- till 2 000-korn.
De resistenta materialen visade sig vara robusta, eftersom varken uppvärmning till 130 grader Celsius (266 grader Fahrenheit) eller 18 månader under den varma Houston-solen försämrade dem. Att fästa genomskinlig tejp på ytan och skala av den 100 gånger försämrade dem inte heller. Men även när materialen började misslyckas fann labben att omslipning av dem lätt kunde fräscha upp deras hydrofobicitet.
Teamet upptäckte också att genom att ändra insandningsförhållandena och pulvertillsatserna kan material också göras hydrofila eller vattenabsorberande.
Tour sa att en förenkling av tillverkningen av superhydrofoba och anti-isbildningsmaterial borde locka industrins intresse. "Det är svårt att göra dessa material," sa han. "Superhydrofoba ytor tillåter inte vattenansamling. Vattnet kullar och rullar direkt av om det är ens den minsta vinkel eller svag vind.
"Nu kan nästan vilken yta som helst göras superhydrofob på några sekunder," sa Tour. "Pulvret kan vara så enkelt som teflon eller molybdendisulfid, som båda är lättillgängliga, eller nyare grafenmaterial. Många industrier skulle kunna dra fördel av detta, från byggare av flygplan och båtar till skyskrapor, där låg isvidhäftning är väsentlig. "
"Flygplanstillverkare vill inte att is bildas på deras vingar, fartygskaptener vill inte att drag från havsvatten saktar ner dem och biomedicinsk utrustning måste undvika biologisk förorening, där bakterier byggs upp på våta ytor," sa Higgs. "Robusta, långvariga superhydrofoba ytor framställda med denna enstegs-sandningsmetod kan lindra många av dessa problem.
"En begränsning av andra tekniker för att generera hydrofoba ytor är att de inte skalar upp till stora ytor som de på flygplan och fartyg", sa han. "Enkla applikationstekniker som den som utvecklats här borde vara skalbar."
Rice-studenten Weiyin Chen, medförfattare till den nya uppsatsen, sa att Tour-labbet också har applicerat sin insandningsteknik på olika metallytor, inklusive, som rapporterats i en annan färsk tidning, litium- och natriumfolier för metallbatterier.
"De spontana kemiska reaktionerna orsakar bildandet av tribofilmer, i det här fallet den konstgjorda fasta elektrolytfasen," sa Chen. "De modifierade metallerna kan användas som anoder för uppladdningsbara metallbatterier." + Utforska vidare
