När det gäller att designa extremt vattenavvisande ytor, form och storlek spelar roll. Det är upptäckten av en grupp forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory, som undersökte effekterna av olikformade, nanoskala texturer på ett material förmåga att tvinga vattendroppar att rulla av utan att väta dess yta. Dessa fynd och metoderna som används för att tillverka sådant material publicerades online den 21 oktober, 2013, i Avancerade material -är mycket relevanta för ett brett spektrum av applikationer där vattenbeständighet är viktig, inklusive kraftproduktion och transporter.

"Tanken att mikroskopiska texturer kan ge ett material med vattenavvisande egenskaper har sitt ursprung i naturen, " förklarade Brookhaven fysiker och huvudförfattare Antonio Checco. "Till exempel, bladen på lotusväxter och vissa insekters exoskelett har en liten skala struktur utformad för att stöta bort vatten genom att fånga in luft. Denna fastighet, kallas "superhydrofobicitet" (eller supervatten-hatande), gör att vattendroppar enkelt kan rulla av, bär smutspartiklar med sig."

Att efterlikna naturens självrengörande mekanism är relevant för ett brett spektrum av tillämpningar, såsom icke-fouling, mot isbildning, och antibakteriella beläggningar. Dock, konstruerade superhydrofoba ytor misslyckas ofta under förhållanden som involverar hög temperatur, tryck, och luftfuktighet - som vindrutor för bilar och flygplan och kraftgeneratorer för ångturbiner - när luften som är instängd i texturen kan vara benägen att fly. Så forskare har letat efter system för att förbättra robustheten hos dessa ytor genom att fördröja eller förhindra luftutsläpp.

Skapa nanoskala texturer

"I princip, den höga robustheten som krävs för flera tillämpningar skulle kunna uppnås med texturegenskaper så små som 10 nanometer (miljarddelar av en meter) eftersom trycket som krävs för att vätska ska infiltrera texturen och tvinga ut luften ökar dramatiskt med krympande texturstorlek, " förklarade Checco. "Men i praktiken, det är svårt att krympa ytstrukturen samtidigt som man har kontroll över deras form."

"För detta arbete, vi har utvecklat ett tillverkningssätt baserat på självmontering av nanostrukturer, som låter oss exakt styra ytstrukturens geometri över ett så stort område som vi i princip vill ha, även så stora som kvadratmeter, " sa Checco.

Proceduren för att skapa dessa superhydrofoba nanostrukturerade ytor, utvecklat i samarbete med forskare vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN), drar fördel av tendensen hos "blocksampolymer"-material att spontant självorganisera sig genom en mekanism som kallas mikrofasseparation. Självmonteringsprocessen resulterar i tunna polymerfilmer med mycket enhetliga, inställbara dimensioner på 20 nanometer eller mindre. Teamet använde dessa nanostrukturerade polymerfilmer som mallar för att skapa nanotexturerade ytor genom att kombinera med tunnfilmsbearbetningsmetoder som oftare används vid tillverkning av elektroniska enheter, till exempel genom att selektivt etsa bort delar av ytan för att skapa texturerade mönster.

"Det här nya tillvägagångssättet utnyttjar våra tunnfilmsbearbetningsmetoder, för att exakt skräddarsy ytans nanotexturgeometri genom kontroll av bearbetningsförhållanden, " sa Brookhaven fysiker och medförfattare Charles Black.

Effekten av form

Forskarna skapade och testade nya material med olika texturer i nanoskala - vissa dekorerade med små cylindriska pelare med raka sidor och några med vinkelsidiga koner. De kunde också kontrollera avståndet mellan dessa nanoskaliga funktioner för att uppnå robust vattenavstötning.

Efter att ha belagt testmaterialet med en tunn film av vaxliknande material, forskarna mätte hur vattendroppar rullade bort från varje yta när de lutades från vertikalt till plant läge och jämförde beteendet med icke-texturerade fasta ämnen.

"Medan vi tillverkade flera olika nanotexturer som alla avsevärt ökade vattenavstötningen, vissa former fungerade annorlunda än andra, ", sa Brookhaven-fysikern och medförfattaren Atikur Rahman. Den förbättrade vattenavstötningen överensstämde med tidigare studier, inklusive en tidigare av Checco och medarbetare som visade att luftbubblor fångade i de strukturerade ytorna tvingar vattnet att bolla upp till droppar. Dock, i den aktuella studien, Teamet visade vidare att konformade nanostrukturer är betydligt bättre än cylindriska pelare när det gäller att tvinga vattendroppar att rulla av ytan, på så sätt håller ytorna torra.

"När det gäller de cylindriska pelarna, när kontaktlinjen för droppen drar sig tillbaka på den strukturerade ytan, det kan fastna i nanotexturen, lämnar efter sig ett mikroskopiskt vätskeskikt på pelarnas platta toppar istället för ett perfekt torrt underlag, " sa Checco. "De konformade strukturerna har mindre, spetsiga toppar, förhindrar troligen denna effekt."

Den andra viktiga upptäckten var att den vattenavvisande förmågan hos konformad nanotexturering höll i sig även när vattendroppar sprutades på ytan med en tryckspruta. Ett sådant tryck kan potentiellt tvinga in vatten i nanostora pockmarks mellan de koniska eller cylindriska pelarna, förskjuter luftbubblorna och förstör den vattenavvisande effekten.

Forskarna övervakade de stänkande dropparna med en höghastighetskamera som kunde fånga 30, 000 bilder per sekund. För den kontexturerade ytan, "De sprutade dropparna stänker och skjuter ut satellitdroppar som sprider sig radiellt utåt medan den mittersta delen av den ursprungliga droppen planar ut, sedan backar, och studsar från ytan, " sa Checco. "Vi observerar inga fastnålade droppar vid nedslagspunkten efter att droppen har studsat tillbaka, indikerar att ytan förblir vattenavvisande under sammanstötningen i hastigheter upp till 10 meter per sekund, som är snabbare än hastigheten för en fallande regndroppe."

Nästa steg

Teamet arbetar med att utöka denna teknik till andra material, inklusive glas och plast, och på tillverkningsytor som också är oljeavvisande genom att ytterligare finjustera funktionsformen.

De studerar också motståndet hos olika nanotexturer mot vatteninträngning med hjälp av intensiva strålar av röntgenstrålar som finns tillgängliga på Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS). "Målet är att kvantitativt förstå hur den forcerade vätskeinfiltrationen beror på texturstorleken och geometrin. Detta kommer att hjälpa utformningen av ännu mer motståndskraftiga superhydrofoba beläggningar, " sa Checco.

Den nanomönsterteknik som används i denna studie möjliggör också design av en mängd olika material med olika struktur - och därför olika vattenavvisande egenskaper - på olika delar av en enda yta. Detta tillvägagångssätt kan användas, till exempel, att tillverka kanaler i nanoskala med självrenande och låga vätskefriktionsegenskaper för diagnostiska applikationer såsom avkänning av närvaron av DNA, proteiner, eller biotoxiner.

"Detta resultat är ett utmärkt exempel på den typ av projekt som kan göras i samarbete med DOE:s Nanoscale Science Research Centers, " sade Black. "Tidigare, vi har strävat efter liknande strukturer för ett helt annat vetenskapligt syfte. Vi är glada att arbeta med Antonio genom CFN User-programmet för att hjälpa honom att uppnå sina forskningsmål."