Zalech, Wojciech Bartłomiej

Polish

Lodz University of Technology Repository

A R T Y K U Ł YEliksir nr 240WstępNanotechnologia jest przykładem nauki interdyscyplinar-nej i aby ją w pełni zrozumieć, należy poznać wiele różnych dziedzin takich jak: chemia, fizyka, biologia, matematyka, elektronika, inżynieria materiałowa, medycyna oraz to, jak ze sobą współdziałają w skali nano, czyli rzędu wielkości pojedynczych atomów. Jeden nanometr to 10-9 metra, co w przybliżeniu odpowiada rozmiarowi dziesięciu atomów wodoru [2].Rys. 1. Jeden nanometr odpowiada w przybliżeniu rozmiarowi 10 atomów wodoruNanotechnologia to projektowanie, tworzenie, badanie oraz posługiwanie się substancjami/materiałami, które po-siadają co najmniej jeden wymiar w skali nano. Dzięki temu, że nanomateriały wykazują zupełnie inne właściwości niż ich makroskopowe odpowiedniki, możemy zaprojektować materiały o pożądanych przez nas właściwościach, mające grubość kilku nanometrów. Na przykład nanorurki to rurki zrobione z atomów węgla o średnicy 1-3 nm, wykazujące bardzo dużą wytrzymałość oraz zdolność przewodzenia prądu [2].Jednym z ciekawszych działów nanotechnologii są sa-mooczyszczające się powierzchnie. Standardowo dzielimy je na dwie podkategorie: powierzchnie superhydrofobowe oraz powierzchnie superhydrofilowe, czyli takie, które sil-nie odpychają cząsteczki wody i takie, które te cząsteczki silnie przyciągają. Kropla wody padając na powierzchnię superhydrofobową przyjmuje kształt zbliżony do kuli, dzięki czemu może swobodnie spłynąć po powierzchni zbierając jednocześnie osadzony na niej brud. Kropla, która spadnie na powierzchnię superhydrofilową, rozpływa się po niej oraz całkowicie ją zwilża. Pomysł na projektowanie i tworzenie samooczyszczających się powierzchni został za-inspirowany naturą, a konkretnie liśćmi lotosu, u których po raz pierwszy zaobserwowano te powierzchnie. Liście lotosu przez swoją unikalną budowę nie mogą zostać zamoczone czy zwilżone (Fot. 1). Dzięki temu roślina nigdy nie jest zanieczyszczona, a w wschodnich kulturach uważana jest za symbol czystości [2].Fot. 1. Powierzchnia liścia lotosu pod mikroskopem. Źródło: http://wiedza.alkahest.umcs.pl/wytworzono-nowy-material-do-ktorego-nie-przyczepia-sie-brud/Samooczyszczające się powierzchnie znalazły rozległe zastosowania w codziennym życiu. Można nimi pokrywać na przykład dachówki, ubrania (każdy kiedyś na pewno polał się sosem czy ketchupem), meble, okna, wytwarzać spraye, chronić narzędzia przed rdzewieniem. Zastosowań różnego typu jest bardzo wiele, ale by takie powierzchnie wytwarzać i stosować, najpierw trzeba zrozumieć podstawy zjawisk superhydrofobowości i superhydrofilowości [2].Podstawy samooczyszczających się powierzchniAby zrozumieć zasadę działania samooczyszczających się powierzchni należy zacząć od tego, czym będziemy zwilżać daną powierzchnie. Załóżmy, że płynem zwilżającym naszą powierzchnię jest woda. Przy samooczyszczających się powierzchniach główną rolę odgrywa kąt zwilżania danej powierzchni. Jest on zdefiniowany jako kąt utworzony przez powierzchnię płaską ciała stałego i płaszczyznę styczną do powierzchni cieczy graniczącej z tym ciałem stałym (Rys. 2) [1].Wojciech Bartłomiej Zalechwojciechzalech.95@gmail.comMiędzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej, Wydział Chemiczny, Politechnika ŁódzkaSamooczyszczające się powierzchnieA R T Y K U Ł YEliksir nr 2 41Rys. 2. Kąt zwilżaniaKiedy kąt zwilżania jest bliski 0°, powierzchnię możemy uznać za całkowicie zwilżalną, oznacza to, że jest powierzch-nią superhydrofilową (Rys. 3) [2].Rys. 3. Kształt kropli wody przy kącie zwilżania bliskim 0 stopniJeżeli jednak kąt zwilżania jest wyraźnie większy od 0°, ale mniejszy od 90°, to mamy do czynienia z powierzchnią hydrofilową tzn. dobrze zwilżalną (Rys. 4) [2].Rys. 4. Kształt kropli wody przy kącie zwilżania pomiędzy 0° a 90°Jeżeli kąt zwilżania wynosi powyżej 90°, ale poniżej 150°, jest to już powierzchnia hydrofobowa tzn. słabo zwilżająca (Rys. 5) [2].Rys. 5. Kształt kropli wody przy kącie zwilżania pomiędzy 90° a 150°Kiedy kąt zwilżania wynosi powyżej 150° mamy do czy-nienia z powierzchnią superhydrofobową czyli całkowicie niezwilżaną (Rys.6), jednakże aby uzyskać ten ostatni efekt powierzchnia musi mieć specjalny skład chemiczny oraz odpowiednią strukturę. Idealnym przykładem powierzchni superhydrofobowej jest powierzchnia liścia lotosu [2].Rys. 6. Kształt kropli wody przy kącie zwilżania powyżej 150°Podstawowym równaniem definiującym kształt kropli na powierzchni jest równanie Younga, które określa równowa-gę pomiędzy trzema działającymi siłami. Są to siły napięcia powierzchniowego, działające w płaszczyźnie styku trzech faz, czyli kontaktu ciała stałego z cieczą, cieczy z gazem oraz ciała stałego z gazem (Rys. 7) [3]. Rys. 7. Równowaga między siłami napięcia powierzchniowego między fazami stałą, ciekłą i gazową dla kropli spoczywającej na powierzchni  ϒsg - napięcie powierzchniowe na granicy faz między ciałem stałym a gazemϒsc - napięcie powierzchniowe na granicy faz między ciałem stałym a ciecząϒcg - napięcie powierzchniowe na granicy faz między cieczą a gazemψ- kąt zwilżaniaZwilżalność powierzchni zwykle wzrasta wraz ze wzro-stem chropowatości dla powierzchni hydrofilowych, nato-miast pogarsza się dla powierzchni hydrofobowych. Jeżeli chcemy zwiększyć kąt zwilżania, oraz sprawić, aby kropla nie tonęła na powierzchni hydrofobowej (tak jak pokazano na Rys. 8), musimy ją zmodyfikować np. nano- lub mikro-chropowatościami, tak jak to pokazano na Rys.9 poniżej [3].A R T Y K U Ł YEliksir nr 242Rys. 8. Kąt zwilżania na płaskiej powierzchnii powierzchni z dużymi poramiRys. 9. Kąt zwilżania na powierzchni z nanochropowatościamiJak badać powierzchnie superhydrofobowe i hydrofiloweIstnieje wiele metod badania struktury powierzchni su-perhydrofobowych i superhydrofilowych. Można stosować różne rodzaje mikroskopii, w tym na przykład elektronową mikroskopię skaningową (ang. Scanning Elektron Microsco-pe - SEM). Mikroskop SEM został zbudowany przed prawie 80 laty, jego udoskonalanie doprowadziło do powstania wielu odmian tego urządzenia. Dzięki temu, zostały zwięk-szone możliwości wykonywania precyzyjnych obserwacji nanostruktur – obecnie rozdzielczość SEM wynosi ok. 5 nm. Wykonanie pomiarów badanych obiektów zostaje prze-prowadzone w płaszczyźnie x,y. Uzyskiwane maksymalne powiększenie wynosi ~ 106 , natomiast pewną wadą jest stosunkowo mała głębia ostrości. Środowiskiem do prowa-dzenia badań jest zwykle próżnia, a sposób przygotowania próbek jest dość złożony. Jeśli chodzi o próbki ich wymagane cechy to brak powierzchniowego ładunku elektrycznego oraz brak gazowania w próżni. Inną techniką przydatną do badania nanostruktury powierzchni jest mikroskopia sił atomowych (ang. Atomic Force Microscopy - AFM) [3].Do pomiaru kąta zwilżania wykorzystujemy metodę osadzania kropli. Krople wody na powierzchni umieszcza się za pomocą mikrostrzykawki Hamiltona. Pomiary moż-na wykonać np. za pomocą goniometru lub specjalnego aparatu wyposażonego w mikroskop i komorę o kontrolo-wanej temperaturze. Wielkość kąta zwilżania zależy przede wszystkim od składu chemicznego i struktury fizycznej badanej powierzchni, a niekiedy również od czasu, jaki upłynął pomiędzy umieszczeniem kropli na powierzchni a dokonaniem pomiaru [3]. Powierzchnie superhydrofobowePowierzchnie hydrofobowe posiadają właściwości samooczyszczania oraz są przeciwkorozyjne, dlatego przyciągają uwagę naukowców i technologów. Hydrofobo-wość to przede wszystkim pochodna budowy chemicznej powierzchni, ale wpływ na tę właściwość może mieć rów-nież porowatość. Tę ostatnią można kontrolować poprzez tworzenie lub osadzanie na powierzchni nanostruktur lub nanocząstek. Jednym z najlepszych naturalnych przykładów powierzchni superhydrofobowych jest wspomniany już liść lotosu, natomiast najpopularniejszym, stworzonym przez człowieka - teflon [2].Fot. 2. Kształt kropli na powierzchni hydrofobowej (płytka teflonowa, kąt zwilżania miedzy 90° a 120°)Jedną z metod wytwarzania hydrofobowych powierzchni jest zmiana porowatości materiału, który posiada niską energię powierzchniową. Drugą metodą jest nałożenie warstwy materiału o niskiej energii powierzchniowej na po-rowate podłoże. Do niektórych polimerów, aby zwiększyć ich superhydrofobowość (kąt zwilżania >130°), wprowadzane są grupy fluorowe, aby zmniejszyć energię powierzchni danego materiału. Prostym przykładem działania prowadzącego do wzrostu hydrofobowości powierzchni jest porysowanie tejże powierzchni. Wyobraźmy sobie, że jesteśmy w posiadaniu płyty teflonowej. Jeśli ją porysujemy, tym samym zwięk-szając, w danym miejscu, jej porowatość, zwiększy się jej hydrofobowość [3]. Powierzchnie superhydrofobowe posiadają cechy zapobiegające korozji oraz chronią przed oblodzeniem. Wytwarzają również kompletnie „suche powierzchnie”, przez co zmniejsza się ryzyko wystąpienia np. przepięcia na przewodach elektrycznych. W medycynie, powierzchnie superhydrofobowe nakładane są na przyrządy medyczne, przez co łatwiej jest utrzymać je w czystości. Kolejnymi cechami tych powierzchni jest to, iż są one antybakteryjne A R T Y K U Ł YEliksir nr 2 43i antyporostowe. Powierzchnie superhydrofobowe mogą też posiadać specjalne właściwości magnetyczne, a w nie-których przypadkach można kontrolować ich zwilżalność poprzez przyłożenie pola elektrycznego. Jeśli wylejemy wodę z olejem na powierzchnię superhydrofobową, obie te substancje zostaną od siebie oddzielone [2]. Rys. 10. Zastosowanie powierzchni superhydrofobowychPowierzchnie superhydrofiloweSuperhydrofilowe czyli - rzeczywiście lubiące wodę. Jest to stan, w którym ciecz maksymalnie zwilża powierzchnię na ile to tylko możliwe, gdy kąt zwilżalności zbliżony jest do 0°. Jest to poniekąd przeciwieństwo powierzchni hy-drofobowych [2].Fot. 3. Kształt kropli na powierzchni hydrofilowej (legitymacja studencka, kąt zwilżania pomiędzy 90° a 50°)Jedną z metod modyfikacji powierzchni w celu nadania jej właściwości hydrofilowych jest zanurzenie próbki, np. krzemionki, w cieczy o silnych właściwościach utleniających, na przykład w tzw. roztworze „pirania” (mieszanina stężo-nego kwasu siarkowego i perhydrolu). Alternatywą do tego typu metod hydrofilizacji jest, w fazie ciekłej, umieszczenie szkła w plazmie powietrza na kilka minut [1].Powierzchnie superhydrofilowe znajdują zastosowanie do pokrywania niektórych materiałów budowlanych, na które oddziaływają promienie słoneczne. Zapobiega to niszczeniu tych materiałów. Powierzchnie superhydrofilowe używane są również w panelach słonecznych, zwiększając ich efektywność. Stosuje się je także na powierzchniach szklanych w celu lepszego oczyszczania szyby z zanieczysz-czeń i zapobiegania zaparowaniu szyb, na przykład lusterek samochodowych. Właściwości silnie hydrofilowe nadaje się również powierzchniom niektórych biomateriałów, upodab-niając te powierzchnie do właściwości tkanek, z którymi mają się stykać podczas ich normalnego użytkowania [2].Rys. 12. Zastosowanie powierzchni superhydrofilowychWnioskiSamooczyszczające się, naturalne powierzchnie liścia lotosu zainspirowały naukowców do ich zbadania, a na-stępnie, do stworzenia materiałów o podobnych właściwo-ściach i zastosowania tych nowych materiałów i technologii w naszym życiu codziennym. Już teraz jest wiele zastosowań superhydrofobowych i hydrofilowych powierzchni. Można chodzić w stale suchych ubraniach podczas deszczu, chronić sieć elektryczną przed dużymi skokami temperatur, a nawet przed zamarznięciem, ewentualnie, używać wodoodpor-nych farb. To jedynie wierzchołek góry lodowej możliwych zastosowań takich materiałów. Samooczyszczające się powierzchnie to jeden z elementów, wywodzący się z po-wierzchni wielofunkcyjnych, które są dla naukowców nową przestrzenią do odkrycia nowych możliwości technicznych prowadzących do ulepszenia naszego codziennego życia.Literatura[1] Cademartiri L., Ozin G. A., Nanochemia Podstawowe Koncep-cje, Wydawnictwo PWN, Warszawa 2011.[2] Ragesh P., Ganesh V., A., Nair S. V., Nair A. S., 2014, A review on ‘self-cleaning and multifunctional materials, Journal of Materials Chemistry A, 2(36), 14773-14792.[3] Żenkiewicz M., Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych, WNT, Warszawa 2000.                 l

Samooczyszczające się powierzchnie.

http://repozytorium.p.lodz.pl/bitstream/11652/1514/1/Samooczyszczajace_sie_powierzchnie_Zalech_2015.pdf

Samooczyszczające się powierzchnie.

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Lodz University of Technology Repository