Naukowcom z Finlandii udało się opracować superśliską powierzchnię, która pozwala kropelkom wody zsuwać się z niej z niespotykaną dotąd łatwością. Ta innowacja może znaleźć zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Ma też potencjał, by zrewolucjonizować domowe porządki.
To, czy woda przylgnie do powierzchni, czy nie, zależy od wielu czynników. Tarcie jest tutaj dość istotną kwestią. Jeśli skład chemiczny powierzchni jest jednolity, wydawać by się mogło, że woda będzie spływać po niej dość szybko. Na bardziej złożonych powierzchniach woda powinna radzić sobie gorzej. Ale jak wykazały nowe badania, które ukazały się na łamach pisma „Nature Chemistry” (DOI: 10.1038/s41557-023-01346-3) sytuacja wcale nie jest taka prosta.
Naukowcy z Uniwersytetu Aalto w Finlandii we współpracy ze swoimi kolegami z Uniwersytetu w Jyväskylä opracowali superśliską powierzchnię, do której kropelki wody właściwie nie przywierają i zsuwają się z niej z łatwością. Nowa metoda tworzenia powierzchni hydrofobowych może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w hydraulice, optyce, przemyśle samochodowym i morskim.
Wszędzie wokół nas woda wchodzi w interakcję z powierzchniami stałymi. Sposób, w jaki przylega do powierzchni lub z niej się zsuwa, ma wpływ na różnorakie dziedziny jak transport, optykę a nawet gotowanie. Zrozumienie dynamiki molekularnej tych mikroskopijnych kropelek pomaga naukowcom i inżynierom znaleźć sposoby na ulepszenie wielu technologii domowych i przemysłowych.
Powierzchnia opracowana przez fińskich uczonych została wykonana z krzemu i pokryta „samoorganizującymi się monowarstwami” (z j. ang. self-assembled monolayers - SAM). SAM to warstwy molekularne, które mogą poruszać się jak ciecz, ale są silnie związane z powierzchnią. Działają jak smar pomiędzy kropelkami wody a podłożem.
Powierzchnie przypominające ciecz to nowy typ powierzchni odpornych na krople, oferujący wiele korzyści technicznych. Mają warstwy molekularne, które są wysoce mobilne, a jednocześnie kowalencyjnie związane z podłożem, nadając powierzchniom stałym właściwości podobne do cieczy.
Zespół badawczy kierowany przez Robina Rasa z Uniwersytetu Aalto wykorzystał specjalnie zaprojektowany reaktor do utworzenia płynnej warstwy cząsteczek, czyli SAM. Starannie dostosowując warunki, takie jak temperatura i zawartość wody wewnątrz reaktora, zespół mógł precyzyjnie określić, jaką część powierzchni krzemu pokryje monowarstwa.
- Wyniki wykazały większą śliskość, gdy pokrycie SAM było niskie lub duże, a ma to miejsce również w sytuacjach, gdy powierzchnia jest najbardziej jednorodna. Przy niskim pokryciu dominującym składnikiem jest powierzchnia krzemowa, a przy wysokim – SAM. To sprzeczne z intuicją, że nawet małe pokrycie zapewniało wyjątkową śliskość – przyznał Sakari Lepikko, główny autor badania.
Przy niskim pokryciu powłoką woda tworzy warstwę na powierzchni, co, jak sądzono, zwiększa tarcie. - Odkryliśmy, że zamiast tego woda swobodnie przepływa pomiędzy cząsteczkami SAM przy niskim pokryciu SAM, zsuwając się z powierzchni. A gdy zasięg SAM jest duży, woda pozostaje na SAM i równie łatwo się zsuwa. Tylko pomiędzy tymi dwoma stanami woda przylega do SAM i przykleja się do powierzchni – dodał Lepikko.
Odkrycie może znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebne są powierzchnie odporne na krople wody. Jak przyznał Lepikko, obejmuje to setki przykładów z życia codziennego, jak i rozwiązania przemysłowe.
- Potencjalnym zastosowaniem są takie rozwiązania jak wykorzystujące ciecze instalacje grzewcze, odladzanie czy zapobieganie zaparowaniu. Nasza powłoka pomoże także w mikrofluidyce, gdzie drobne kropelki muszą być przemieszczane w precyzyjny sposób, co jest wykorzystywane chociażby w głowicach drukarek. Przyda się także w tworzeniu samoczyszczących się powierzchni. Nasz sprzeczny z intuicją mechanizm to nowy sposób na zwiększenie mobilności kropel tam, gdzie jest to potrzebne – zaznaczył Lepikko.
Zespół zamierza kontynuować eksperymenty z SAM i udoskonalać metody wytwarzania. Badacze chcą też poprawić właściwości SAM, bo obecnie powłoki te są bardzo cienkie i wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne.
Źródło: Aalto University, fot. Ekaterina Osmekhina/Aalto University
