Forskare vid University of Sydney har observerat oljemolekyler som behåller sina "vätskeliknande" egenskaper när de är kemiskt fästa som ett extremt tunt lager på fasta ytor, vilket öppnar nya möjligheter för att designa hållbara material med non-stick-egenskaper.
Resultaten publiceras i tidskriften Angewandte Chemie , ledd av Dr Isaac Gresham med medförfattarna professor Chiara Neto och hedersstudent Seamus Lilley från School of Chemistry och Sydney Nano, Dr Kaloian Koynov från Max Planck Institute for Polymer Research och Dr Andrew Nelson från Australian Center for Neutronspridning.
De "vätskeliknande" beläggningarna som teamet studerade, så kallade hala kovalent fästa vätskeytor (SCALS), tillverkas av silikoner eller polyetylenglykol – som båda bryts ner till ofarliga biprodukter i miljön.
SCALS är anti-vidhäftande utan att förlita sig på problematiska perfluorerade polymerer (PFAS), kända som "för evigt kemikalier" som vanligtvis används för sina låga vidhäftningsegenskaper.
"Dessa vätskeliknande lager är extremt hala för de flesta föroreningar:de släpper vätskedroppar utan ansträngning, vilket är bra för att öka effektiviteten i värmeöverföringen och för att samla upp vatten, de förhindrar uppbyggnad av kalksten och motstår vidhäftning av is och bakterier, för oss ett steg närmare en självrensande värld", säger professor Neto, som leder Nano-Interfaces Laboratory vid University of Sydney.
"Vi kan korrelera dessa lagers exceptionella prestanda med deras nanostruktur - vilket innebär att vi nu vet vad vi siktar på när vi designar hala ytor, vilket gör det möjligt för oss att göra dem ännu mer effektiva och tillhandahålla hållbara alternativ till fluorerade beläggningar."
De hala nanotunna skikten, mellan två och fem miljarddelar av en meter tjocka eller 10 000 gånger tunnare än ett människohår, består av oljemolekyler som bara är hundra atomer långa.
"En vattendroppe glider utan friktion över en tjock oljefilm, men om du helt tar bort oljefilmen, t.ex. genom att använda tvål, kommer de flesta vattendroppar att fastna på fasta ytor," sa professor Neto.
"Hur tunt kan oljelagret vara på en fast yta innan det inte längre är "vätskeliknande"? På nanoskala blir definitionen av en vätska något hal."
För att reda ut hemligheterna med deras ultratunna flytande beläggningar använde teamet två tekniker för att "se" ytskikten.
Den första tekniken är kraftspektroskopi med en molekyl, som mäter längden på enskilda molekyler och den kraft som krävs för att sträcka eller komprimera dem.
Den andra är neutronreflektometri, som gör det möjligt för forskare att mäta molekylernas längd och ympdensitet.
"Vi fann att om vätskemolekylerna var för korta och sparsamt ympade på den fasta ytan, täckte de inte den underliggande fasta ytan tillräckligt och förblev klibbiga," sa professor Neto.
"Å andra sidan, om molekyler var för långa eller ympade för tätt, hade de inte tillräckligt med flexibilitet för att fungera som en vätska.
"För att SCALS skulle vara effektiva behövde de vara i en Goldilocks-zon, där de varken är för korta eller för långa, inte heller packade för löst eller för tätt."
För att definitivt visa att de exceptionella egenskaperna hos dessa lager beror på deras "vätskeliknande" tillstånd, mätte teamet hastigheten som en liten sondmolekyl diffunderade inuti lagret.
Molekyler kan diffundera genom vätskor, men inte genom fasta ämnen. Professor Neto sa att den snabbaste molekylära diffusionen observerades i Guldlockszonen, där oljemolekylerna har precis rätt längd och ympade med måttlig densitet.
Mer information: Isaac Gresham et al, Nanostructure Explains the Behavior of Slippery Covalently Attached Liquid Surfaces, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308008
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition , Angewandte Chemie
Tillhandahålls av University of Sydney
