2019-02-18
Фиксация темной материи - теория и практика
Подробнее

2019-02-17
НАСА купит места Союзах, снимает песчаные реки Марса и звезды, ищет недостающую материю
Подробнее

2019-02-17
Роскосмос: Открытие спутника «Ломоносов», инфраструктура для «Енисея» «Хаябуса-2», Юпитер в объективе «Юноны»
Подробнее

2019-02-16
Нейросеть создаёт фото несуществующих людей
Подробнее

2019-02-15
Психология в замкнутом пространстве в виртуальном полете на Луну
Подробнее

2019-02-12
Материалы наиболее эффективные для преобразования тепла
Подробнее

2019-02-11
Осцилляторную нейронную сеть научили распознавать образы
Подробнее

2019-02-08
международная экспедиция в пещерную систему Мчишта-Акшаша (Абхазия)
Подробнее

2019-01-29
Большие возможности мини-мозгов из стволовых клеток
Подробнее

2019-01-24
В межзвёздной среде обнаружили предшественника аденина
Подробнее

2018-10-18 (№ 135)
«Умный» материал с настраиваемой смачиваемостью
ТОМСК и ПРАГА, 18 октября, ПОРТАЛ ЧЕРДАК (ИА ТАСС) Ученые из Томского политехнического университета совместно с коллегами из Института химической технологии в Праге создали материал, смачиваемостью которого можно управлять с помощью электрического поля. Подобные материалы могут применяться, например, для создания самоочищающихся покрытий. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Materials & Interfaces.

Смачиванием называют процесс взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела. Если поместить воду на чистое обезжиренное стекло, она растечется по поверхности очень тонким слоем — это пример хорошей смачиваемости, такую поверхность называют гидрофильной («любящей воду»).

Краевой угол смачивания, или угол контакта ?сА вот на поверхности парафина вода не будет растекаться, а наоборот, останется в виде шарообразной капли — это плохая смачиваемость, такую поверхность называют гидрофобной («боящейся воды»). Более точно оценить смачиваемость можно посредством измерения краевого угла. Так называют угол между касательной к поверхности капли и твердой поверхностью.

Краевые углы меньше 90 градусов соответствуют гидрофильным поверхностям, больше 90 градусов — гидрофобным. Смачиваемость можно определять и для других жидкостей, причем для некоторых (масло, бензин) она будет существенно отличаться от водной. Подбор смачиваемости материала очень важен при создании влагостойких, морозостойких, а также быстро набирающих популярность самоочищающихся покрытий.



Команде российских и чешских химиков удалось создать материал, смачиваемостью которого можно управлять с помощью электрического поля. Основу материала ученые сделали из проводящих полимеров, которые позволяют подключать материал к источнику электричества.

К поверхности полимеров химически привязали разные функциональные группы — карбоксильные группы -СООН (эти группы содержат полярные связи кислород-водород, то есть похожи на воду и должны обеспечивать гидрофильное взаимодействие) либо длинные углеводородные «хвосты», замещенные фтором C8F17 (эти группы больше похожи на парафин и должны обеспечивать гидрофобное взаимодействие). Затем ученые измерили смачиваемость поверхности разными жидкостями: водой, глицерином, маслом — как в исходном состоянии, так и в электрическом поле.

Оказалось, что приложенное поле заметно влияет на смачиваемость — практически во всех случаях она улучшалась. Особенно ярко эта особенность проявилась для полимера, модифицированного углеводородными «хвостами» при смачивании его водой. Без поля этот полимер очень плохо смачивается (контактный угол равен 160 градусам), но, приложив потенциал в 1,2 вольта, ученым удалось добиться контактного угла в 70 градусов, то есть положительной смачиваемости.



Дело в том, что под действием поля структура полимера меняется и пришитые к поверхности гидрофобные «хвосты» уходят вглубь полимерного слоя. Смачиваемость водой от этого резко улучшается.

Более того, ученые показали, что, если поле отключить, полимер быстро вернется в первоначальное положение — «хвостами наружу» — и смачиваемость вновь ухудшится. Этот процесс полностью обратим, и его можно повторять много раз, а само «переключение» занимает меньше секунды. Все это делает новый полимер очень перспективным материалом для самоочищающихся покрытий: достаточно будет переключить его в гидрофобный «режим», чтобы вода и водорастворимые загрязнения просто скатились с поверхности.





ИНДИКАТОР 18 октября

Ученые смогли добиться того, чтобы один и тот же материал очень быстро, в пределах семи секунд, мог становиться супергидрофобным (отталкивать капли воды), а затем гидрофильным (впитывать воду и хорошо смачиваться ею). Одновременно с этим ученые впервые смогли управлять и прилипанием капель к поверхности. Обнаруженные эффекты могут использоваться для управления жидкостями в микрофлюидных устройствах. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Авторы статьи работали с двумя распространенными полимерными материалами: PVDF и PMMA. PMMA — это обычное оргстекло, а PVDF — материал со свойствами, схожими с тефлоном. На их основе исследователи создали композит, который обладает пьезоэлектрическими свойствами, то есть может растягиваться или сжиматься под действием тока. Исследователи решили не работать с поверхностью полимеров, а модифицировать их на уровне волокон.

«Наши коллеги растворяют полимеры и формируют из получившихся волокон нетканые материалы. Дальше волокна помещаются в водный раствор с солями диазония и нагреваются, — поясняет один из авторов работы, доцент Томского государственного университета Павел Постников. — При этом образовываются активные радикалы, которые атакуют поверхность волокон и формируют на них нужные нам химические соединения, такие как 4-перфторалкилфенильные группы. Эти соединения вкупе с физическими особенностями материалов и позволяют управлять смачиваемостью. И здесь важно, что мы работаем со смачиваемостью не на уровне поверхности, а на уровне каждого волокна».



К получившимся материалам ученые подводят электроды. Как только подается ток, материал тут же меняет свои свойства. Так, в супергидрофобном состоянии достаточно наклонить пластинку материала на три градуса, чтобы капля с нее скатилась. Степень гидрофобности зависит от напряженности электрического пол, причем такие эффекты ученые наблюдали не только с водой, но и с лиофильными растворителями (вещества, которые могут взаимодействовать с жидкостями на межмолекулярном уровне). По словам авторов, это доказывает, что данный метод подходит для широкого спектра жидкостей.

«И еще одно очень важное свойство: поверхность материала является самоочищающейся. Если мы ее загрязнили какими-то веществом, потом капаем буквально несколько капель растворителя или воды, частицы грязи переходят в воду и скатываются, абсолютно не прилипая к поверхности, и она становится совершенно чистой», — рассказывает Постников.

Также ученым впервые удалось управлять адгезией капель, то есть способностью капель сцепляться с твердой поверхностью. «Под действием электрического поля капля сильно прижимается к поверхности. Можно даже перевернуть пластинку, а капля все равно останется на ней. Это говорит о том, что, управляя смачиваемостью и адгезией, то есть изменяя напряженность поля, включая и выключая ток, меняя наклон материала, мы можем управлять каплей, заставлять ее двигаться в нужном направлении. Как уже говорилось, это актуально для микрофлюидных технологий, а также, например, для создания биосенсоров», — заключает ученый.





ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30226740

АННОТАЦИЯ

Умная, пьезо-отзывчивая поверхность PVDF/PMMA с настраиваемой смачиваемостью воды / масла и прилипанием.

Гусельникова О., Елашников. П., Постников П. С., Svorcik, В. Лутаков .

Конструкция умных поверхностей с внешней настраиваимостью смачиваемостью воды / масла и прилипанием представляет одну из самых последних возможностей в поле материальной науки. В этой работе представлена интеллектуальная поверхность с электрически вызываемой смачиваемостью и адгезией вода / масло. В качестве основного материала фона, демонстрирующего чувствительность электрического поля (EF), использовались пьезо-отзывчивые полиметилметакрилатные/поливинилиденфторидные волокна полимеров.

Для расширения доступного диапазона углов контакта вода/масло (СА) и адгезии, волокна были привиты с гидрофильных или гидрофобных функциональных групп с использованием диазониевой химии. Функциональность волокон оценивали с помощью статических измерений гистерезиса смачиваемости и смачиваемости (увеличение/уменьшение объема капель, углы наклона), адгезии/отталкивания капель, а также самоочищающегося теста графита, выполненного с применением ЭФ и без применения ЭФ. Установлено, что предложенный способ позволяет настраивать смачиваемость поверхности в сверхгидрофобном / суперолеофобно-гидрофильном / олеофильном диапазоне, а также изменять свойства поверхности от низкого адгезива к высокому адгезиву для воды и масла.

Более убедительные результаты были достигнуты в случае модификации поверхности волокна ADT-C8F17, которая может быть результатом перестройки функциональной группы тертого-c6h4c8f17 при применении EF-триггера. Более того, срабатывание, которое может быть выполнено чрезвычайно быстро (поверхность реагирует на включение/выключение EF в секундах), было обнаружено, что полностью обратимым. Наконец, дополнительные испытания указывают на удовлетворительную устойчивость созданного волокнистого покрытия к механической обработке.

Источник