Исследование условий возникновения супергидрофобных свойств веществ.

Фарафонтова Валерия Владиславовна, ученица 9 класса

 МБОУ «Лицей №1 п. Первомайский Оренбургского района»

Попова Ольга Геннадьевна, учитель физики

МБОУ «Лицей №1 п. Первомайский Оренбургского района»

Зима становится все теплее, и есть вероятность попасть под дождь, а как было бы хорошо, если бы зимняя обувь и верхняя одежда не промокала. Если бы грязная вода, попавшая на Вашу одежду из-под колёс проехавшего рядом автомобиля, сразу стекала вниз, даже не запачкав её… Или решили защитить фасад здания от несанкционированных надписей, стикеров, наклеек объявлений, рисунков «Граффити». В этом Вам помогут супергидрофобные поверхности. Актуальность проблемы, затронутой в моей работе состоит в том, что супергидрофобной поверхность можно сделать и в домашних условиях, с минимальными затратами, нужно лишь знать условия, необходимые для возникновения супергидрофобности.

Поэтому объектом моей работы является гидрофобность различных материалов.

Предмет:  различные материалы, у которых при определенных условиях появляется гидрофобность

Цель: исследование условий возникновения сверхгидрофобности у различных материалов

Задачи:

1. Выяснить, что такое гидрофобность и гидрофильность
2. Рассмотреть природные механизмы несмачивания
3. Проанализировать способы увеличения гидрофобности
4. Разработать метод выявления супергидрофобности
5. Разработать методы усиления гидрофобных свойств веществ

Методы исследования:

1. Анализ научной и научно-популярной литературы по теме исследования
2. Эксперимент
3. Анализ результатов

Гипотеза. Предположим, что гидрофобность веществ зависит от свойств их поверхностей. Если обработанную парафином, ацетоном и копотью поверхность сложно смочить водой, то гидрофобность веществ увеличивается и появляется супергидрофобность.

Гидрофильность и гидрофобность        (от греч. hydor - вода и philia - любовь или phуbos - боязнь, страх) - понятия, характеризующие сродство веществ или образованных ими тел к воде; это сродство обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия [5].  

• рассматривают как малую степень гидрофильности, т.к. между молекулами воды и любого тела всегда действуют в большей или меньшей степени межмолекулярные силы притяжения. гидрофильность и гидрофобность можно оценить по растеканию капли воды на гладкой поверхности тела; характеризуются краевым углом смачивания; на гидрофильной поверхности капля растекается полностью, на гидрофобной - частично, причём величина угла между поверхностями капли и смачиваемого тела зависит от того, на сколько данное тело гидрофобно.

В середине 70-х годов прошлого века немецкими учеными-ботаниками Боннского университета Вильгельмом Бартхлоттом и Кристофом Найнуйсом было открыто явление самоочистки листьев и цветков некоторых растений, а также тот факт, что этот феномен объясняется особым состоянием их поверхности. Впоследствии это явление ими было запатентовано и названо в честь наиболее яркого представителя таких растений – эффект лотоса.

Издревле цветок лотоса считается в буддизме символом незапятнанной чистоты, так как известно, что листья и нежно-розовые или синеватые цветки лотоса остаются даже в грязной тине водоемов безупречно чистыми.

Попавшая на поверхность листа лотоса, капля воды удаляет с него частицу загрязнений. При этом частицы загрязнений не проникают во внутреннюю часть капли, а равномерно распределяются по ее поверхности, т. е. даже гидрофобная субстанция удаляется каплей воды с гидрофобной поверхности. При рассмотрении условий, при которых реализуется «эффект лотоса» на наноуровне, механизм этого явления становится более понятным. С помощью аналогии можно объяснить, что условие несмачиваемости (самоочистки) можно легко изменить, придав поверхности необходимый, в данном случае, ворсистый рельеф.

Представим массажную щетку, на зубьях которой лежит клочок бумаги, изображающий частицу загрязнений. Пятно «грязи» расположено только на самых вершинах зубьев, не соприкасаясь с самой поверхностью щетки. Сила прилипания «грязи» обусловлена площадью поверхности взаимного контакта. Если бы поверхность была гладкой или имела макрорельеф, то площадь контакта оказалась бы значительной и грязь удерживалась бы достаточно прочно. Однако из-за острых концов зубьев площадь контакта минимальна, и «грязь» как бы «висит на ножке». То же происходит и с каплей воды. Она не может «растечься» по остриям и поэтому стремится свернуться в шарик.

Аналогичное явление происходит с различными видами загрязнений и на восковых ворсинках, покрывающих листья лотоса.

Защитные водоотталкивающие свойства оперения водоплавающих птиц в основном обусловлены их особой ребристой структурой, а не наличием на перьях защитных жироподобных веществ, тогда как в случае с поверхностью листа лотоса, эти свойства только дополняют друг друга. Известные многим своими возможностями легкого перемещения (скольжения) по поверхности воды, водяные клопы-водомерки также используют это природное явление, так как их тело и кончики ног покрыты не смачиваемыми в воде волосками, обеспечивающими, на первый взгляд, их столь удивительные способности.

Лотос-эффект основан исключительно на известных физико-химических явлениях и не привязан только к живым системам; в силу этого самоочищающиеся поверхности технически можно воспроизвести для различных материалов и покрытий.

Именно поэтому в последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству самоочищающихся или устойчивых к загрязнению изделий и покрытий в самых различных отраслях экономики. При этом формирование заданной структуры поверхности может быть выполнено с помощью нескольких основных методик:

·            создание («черчение») рельефа лазерным лучом или плазменным травлением;

·            анодное окисление (алюминия) с последующим покрытием специальными веществами;

·            придание формы и создание микрорельефа гравировкой;

·            покрытие поверхности слоем металлических кластеров, комплексами «поверхностно-активное вещество – полимер» или сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры;

·            нанесение суспензий наночастиц с морфологией, препятствующей образованию агломератов [1].

Все они в той или иной мере могут быть отнесены к наноинженерии поверхности – научно-практической деятельности человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур (поверхностей) с заданными (прочностными, триботехническими, самоочищающимися и т.д.) свойствами либо аналогичных объектов или структур, созданных методами нанотехнологий.

Гидрофобность и гидрофильность можно определить по величине краевого угла. Увлажнение поверхности водой, зависит от соотношения поверхностного натяжения на границах «вода-воздух», «поверхность-вода» и «поверхность-воздух» [2]. Соотношение этих натяжений определяет контактный угол между жидкой фазой и твёрдой фазой (рис.1). Нулевой контактный угол означает, что поверхность покрывается равномерной пленкой жидкости (супергидрофильная поверхность). Между 0^о и180^о говорят о частичном смачивании, жидкость образует линзообразную каплю на основании. Контактный угол 180° указывает на совершенную несмачиваемость (супергидрофобную поверхность), так как капля касается поверхности только в одной точке. В этом случае образуются круглые капли, которые легко стекают с поверхности.

Рисунок 1. Гидрофильная (а) и гидрофобная (б) поверхности в трёхфазной системе вода - твёрдое тело - воздух; 1 - вода; 2 - твёрдое тело; 3 - воздух; a - краевой угол смачивания.

Исходя из этого, можно предложить достаточно простой метод определения степени гидрофобности веществ.

Суть метода состоит в фотографировании капель жидкости на исследуемых поверхностях и дальнейшем определении краевого угла смачивания по фотографии при помощи транспортира.

Конечно, для макросъёмки можно использовать профессиональный фотоаппарат, если он есть. В отсутствии такового, я воспользовалась линзой от лазерной указки, прикрепленной к камере телефона [4]. Используемая в экспериментах вода, подкрашена флуоресцеином (обладает жёлто-зеленой окраской).

Методы увеличения гидрофобных свойств

1. Диск, покрытый ацетоном.

Компакт-диски изготавливаются из прочного, прозрачного для света материала – поликарбоната (гидрофобное полимерное аморфное вещество).

В присутствии ацетона поликарбонат будет растворяться, образуя мелкие кристаллы (размером порядка 10^-9, то есть наноструктуры). Диск становится мутным.

Подготовка поверхности:

1. Шприц наполняют ацетоном.
2. Часть диска умеренно покрывают ацетоном
3. Поверхность сушат на воздухе
4. Стадии 2) и 3) повторять 1-2 раза

Затем на обработанную поверхность шприцом наносится капля воды. Наблюдается образование сферической капли (рис.2).

Рисунок 2. Сферическая капля на поверхности обработанного диска с краевым уголом α=130^о.

Супергидрофобный эффект появляется из-за особой мелкодисперсной структуры поверхности, вызванной мелкими кристаллами поликарбоната. Из-за этого площадь контакта между водой и поверхностью уменьшается, что является причиной слабого взаимодействия между обеими средами. Силы взаимодействия между молекулами воды сильнее и придают капле воды сферическую форму.

2.  Натирание парафином.

Получить супергидрофобную поверхность можно, если обработать поверхность парафином. Парафин - представляет собой достаточно твердую смесь высокомолекулярных углеводородов, которые получают в основном из нефти. Это вещество не смачивается водой.

Потрём кусок парафина (или свечи) о деревянный брусок. При этом также получаем поверхность покрытую мелкими частицами парафина. Если на неё поместить каплю воды, то она примет форму шара (рис.3,4).

Рисунок 3.А) Капля воды на необработанном деревянном бруске. Б) Капля воды на деревянном бруске, обработанном парафином.

Рисунок 4. Капля воды на поверхности парафинового карандаша, краевой угол α=105^о.

Если парафином обработать светлую зимнюю обувь (например уги, валенки), то никакие оттепели не страшны.

3.  Покрытие копотью стеклянной пластинки.

Когда горит парафиновая свеча, часть углеводорода сгорает не полностью, и мы видим над ней дым или, если точнее, копоть. Если на пути струи дыма поставить стеклянную пластинку, то на ней образуется слой сажи, представляющий собой напыление частиц углеводорода.

Получаем мелкодисперсную (состоящую из мелких частиц) поверхность, на которой хорошо просматриваются капли воды сферической формы (рис.5).

Рисунок 5. Капля воды на поверхности, покрытой копотью, краевой угол α=120^о.

К сожалению, частицы сажи легко стираются с поверхности. Такое покрытие не будет служить долго.

Заключение.

На основе проведенного исследования, можно сделать ряд выводов:

1) гидрофобные материалы имеют очень широкое применение, например, гидрофобные фасадные краски, антивандальные покрытия поездов, незапотевающие зеркала и керамика, малозагрязняющийся бактерицидный текстиль, непромокающие дождевые плащи и зонтики, водоотталкивающие спортивные, купальные костюмы, а также многое другое;

2) при обработке поверхностей парафином и сажей, а также поверхности компакт-диска ацетоном, у обработанных веществ многократно увеличиваются гидрофобные свойства (появляется супергидрофобность), что подтвердило нашу гипотезу;

3) получить супергидрофобные поверхности можно в домашних условиях, используя материалы, которые есть практически у всех или можно недорого приобрести в магазине.

Список информационных источников.

1. Балабанов, В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. – М.: Эксмо, 2009.
2. Щукин Е. Д. Коллоидная химия: Учеб. Для университетов и химико-технолог. вузов/Е. Д. Щукин, А. В. Перцов, Е. А. Амелина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004.
3. Ковшов А. Н. Основы нанотехнологии в технике: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/А. Н. Ковшов, Ю.Ф. Назаров, И. М. Ибрагимов, - 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2011.
4. www.femto.com.ua Гидрофильность и гидрофобность – Физическая энциклопедия.
5. www.cyclowiki.org Линзы для макросъемки сотовым телефоном – Циклопедия.