Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Hydrophobic )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Гидрофобия (значения) .
Угол контакта с водой 165 градусов на поверхности, модифицированной с использованием химии поверхности системы плазменной технологии. Угол контакта равен красному углу плюс 90 градусов.
Капля росы на гидрофобной поверхности листа
Резка капли воды с помощью сверхгидрофобного ножа на супергидрофобных поверхностях
Капли воды на гидрофобной поверхности травы

В химии , гидрофобность является физическим свойством молекулы , которое , казалось бы , отталкиваются от массы воды (известной как гидрофобный ). [1] (Строго говоря, здесь нет силы отталкивания; это отсутствие притяжения.) [ Необходима цитата ] В отличие от воды , гидрофилы привлекаются.

Гидрофобные молекулы обычно неполярны и поэтому предпочитают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители . Поскольку молекулы воды полярны, гидрофобы плохо растворяются среди них. Гидрофобные молекулы в воде часто группируются вместе, образуя мицеллы . Вода на гидрофобных поверхностях будет иметь большой угол смачивания .

Примеры гидрофобных молекул включают алканы , масла , жиры и жирные вещества в целом. Гидрофобные материалы используются для удаления нефти из воды, ликвидации разливов нефти и процессов химического разделения для удаления неполярных веществ из полярных соединений. [2]

Гидрофобный часто используется как синоним липофильного , «жиролюбивого». Однако эти два термина не являются синонимами. Хотя гидрофобные вещества обычно липофильны, есть исключения, такие как силиконы и фторуглероды .

Термин гидрофоб происходит от древнегреческого ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), «ужас перед водой», образованного от древнегреческого ὕδωρ (húdōr)  «вода» и древнегреческого φόβος (phóbos)  «страх». [3]

Химический фон [ править ]

Основная статья: Гидрофобный эффект

Гидрофобное взаимодействие в основном представляет собой энтропийный эффект, возникающий из-за разрушения высокодинамичных водородных связей между молекулами жидкой воды неполярным растворенным веществом, образующим клатратоподобную структуру вокруг неполярных молекул. Эта образованная структура более упорядочена, чем свободные молекулы воды, из-за того, что молекулы воды организуют себя так, чтобы максимально взаимодействовать друг с другом, и, таким образом, приводит к более высокому энтропийному состоянию, которое заставляет неполярные молекулы слипаться вместе, чтобы уменьшить открытую площадь поверхности. поливать и уменьшать энтропию системы. [4] [5]Таким образом, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная или гидрофобная) изменятся так, что их соответствующая межфазная площадь будет минимальной. Этот эффект можно визуализировать в явлении, называемом разделением фаз . [ необходима цитата ]

Супергидрофобность [ править ]

Основная статья: Супергидрофоб
Капля воды на листе растения лотоса.

Супергидрофобные поверхности, такие как листья лотоса, очень трудно намочить. В углах смачивания капли воды превышает 150 °. [6] Это называется эффектом лотоса и в первую очередь является физическим свойством, связанным с межфазным натяжением , а не химическим свойством. [ необходима цитата ]

Теория [ править ]

В 1805 году Томас Янг определил краевой угол θ , проанализировав силы, действующие на каплю жидкости, покоящуюся на твердой поверхности, окруженной газом. [7]

Капля жидкости лежит на твердой поверхности и окружена газом. Краевой угол θ C - это угол, образованный жидкостью на границе трех фаз, где пересекаются жидкость, газ и твердое тело.
Капля, покоящаяся на твердой поверхности и окруженная газом, образует характерный угол смачивания  θ . Если твердая поверхность шероховатая, а жидкость находится в тесном контакте с твердыми неровностями, капля находится в состоянии Венцеля. Если жидкость остается на вершинах выступов, она находится в состоянии Кэсси – Бакстера.

куда

= Межфазное натяжение между твердым телом и газом
= Межфазное натяжение между твердым телом и жидкостью
= Межфазное натяжение между жидкостью и газом

θ можно измерить с помощью гониометра угла смачивания .

Венцель определил, что, когда жидкость находится в тесном контакте с микроструктурированной поверхностью, θ изменится на θ W *

где r - отношение фактической площади к проектируемой. [8] Уравнение Венцеля показывает, что микроструктурирование поверхности усиливает естественную тенденцию поверхности. Гидрофобная поверхность (та, которая имеет исходный угол смачивания более 90 °) становится более гидрофобной при микроструктурировании - ее новый угол смачивания становится больше, чем исходный. Однако гидрофильная поверхность (та, которая имеет исходный угол смачивания менее 90 °) становится более гидрофильной при микроструктурировании - ее новый угол смачивания становится меньше исходного. [9] Кэсси и Бакстер обнаружили, что если жидкость находится во взвешенном состоянии на вершинах микроструктур, θ изменится на θ CB * :

где φ - доля площади твердого тела, соприкасающегося с жидкостью. [10] Жидкость в состоянии Кэсси – Бакстера более подвижна, чем в состоянии Венцеля. [ необходима цитата ]

Мы можем предсказать, должно ли существовать состояние Венцеля или Кэсси – Бакстера, вычислив новый угол смачивания по обоим уравнениям. При минимизации аргумента о свободной энергии соотношение, которое предсказывало меньший новый угол смачивания, является наиболее вероятным состоянием. С математической точки зрения, для существования состояния Кэсси – Бакстера должно выполняться следующее неравенство. [11]

Недавний альтернативный критерий для состояния Кэсси-Бакстера утверждает, что состояние Кэсси-Бакстера существует, когда выполняются следующие 2 критерия: 1) силы контактной линии преодолевают массовые силы веса неподдерживаемой капли и 2) микроструктуры достаточно высоки, чтобы не допустить попадания жидкости который связывает микроструктуры от соприкосновения с основанием микроструктур. [12]

Недавно был разработан новый критерий переключения между состояниями Венцеля и Кэсси-Бакстера, основанный на шероховатости поверхности и поверхностной энергии. [13] Критерий фокусируется на способности удерживать воздух под каплями жидкости на шероховатых поверхностях, что позволяет определить, следует ли использовать модель Венцеля или модель Кэсси-Бакстер для определенного сочетания шероховатости поверхности и энергии. [ необходима цитата ]

Угол смачивания является мерой статической гидрофобности, а гистерезис угла смачивания и угол скольжения являются динамическими мерами. Гистерезис краевого угла - это явление, характеризующее неоднородность поверхности. [14]Когда пипетка впрыскивает жидкость в твердое тело, жидкость образует некоторый контактный угол. По мере того, как пипетка впрыскивает больше жидкости, капля будет увеличиваться в объеме, угол смачивания будет увеличиваться, но ее трехфазная граница будет оставаться неподвижной, пока она внезапно не продвинется наружу. Угол контакта, который имела капля непосредственно перед продвижением наружу, называется краевым углом продвижения. Угол смачивания смачивания теперь измеряется путем откачки жидкости обратно из капли. Капля уменьшится в объеме, угол смачивания уменьшится, но ее трехфазная граница будет оставаться неподвижной, пока она внезапно не отступит внутрь. Угол смачивания, который капля непосредственно перед уходом внутрь, называется углом смачивания. Разница между углами смачивания и отступления называетсягистерезис краевого угла и может использоваться для характеристики неоднородности, шероховатости и подвижности поверхности. [15] Неоднородные поверхности будут иметь домены, препятствующие движению линии контакта. Угол скольжения является еще одним динамическим показателем гидрофобности и измеряется путем нанесения капли на поверхность и наклона поверхности до тех пор, пока капля не начнет скользить. В общем, жидкости в состоянии Кэсси-Бакстера демонстрируют более низкие углы скольжения и гистерезис краевого угла, чем жидкости в состоянии Венцеля. [ необходима цитата ]

Исследования и разработки [ править ]

Воспроизвести медиа
Капли воды скатываются по наклонной гидрофобной поверхности.
Воспроизвести медиа
Капли воды на искусственной гидрофобной поверхности (слева)

Деттре и Джонсон обнаружили в 1964 году, что явление супергидрофобного эффекта лотоса связано с грубыми гидрофобными поверхностями, и разработали теоретическую модель, основанную на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером TFE. Самоочистки свойство супергидрофобными микро- наноструктурированных поверхностей было сообщено в 1977 г. [16] перфторалкил, перфторполиэфира, а также были разработаны сверхгидрофобные материалы, используемые для высокочастотного плазменного -formed электросмачивания и коммерциализации для биомедицинских применений между 1986 и 1995 [17 ] [18] [19] [20] Другие технологии и приложения появились с середины 1990-х годов. [21]В 2002 году была раскрыта прочная супергидрофобная иерархическая композиция, наносимая в один или два этапа, включающая наноразмерные частицы ≤ 100 нанометров, покрывающие поверхность с элементами микрометрового размера, или частицы ≤ 100 микрометров. Наблюдалось, что более крупные частицы защищают более мелкие частицы от механического истирания. [22]

В недавнем исследовании, superhydrophobicity сообщалось, позволяя алкилкетенов димер (АКД) , чтобы затвердеть в наноструктурированных фрактальной поверхности. [23] С тех пор во многих статьях были представлены методы изготовления супергидрофобных поверхностей, включая осаждение частиц, [24] золь-гель методы, [25] плазменную обработку, [26] осаждение из паровой фазы [24] и методы литья. [27] Текущие возможности для воздействия исследований лежат в основном в фундаментальных исследованиях и практическом производстве. [28]В последнее время возникли споры о применимости моделей Венцеля и Кэсси – Бакстера. В эксперименте, призванном оспорить перспективу поверхностной энергии модели Венцеля и Кэсси-Бакстера и продвигать перспективу линии контакта, капли воды помещались на гладкое гидрофобное пятно в грубом гидрофобном поле, грубое гидрофобное пятно в гладком гидрофобном поле. и гидрофильное пятно в гидрофобном поле. [29] Эксперименты показали, что химический состав поверхности и геометрия на линии контакта влияли на угол контакта и гистерезис угла контакта , но площадь поверхности внутри линии контакта не влияла. Также был предложен аргумент, что повышенная неровность линии контакта увеличивает подвижность капель. [30]

Многие гидрофобные материалы, встречающиеся в природе, основаны на законе Кэсси и являются двухфазными на субмикронном уровне с однокомпонентным воздухом. Эффект лотоса основан на этом принципе. На его основе было создано множество функциональных супергидрофобных поверхностей. [31]

Примером бионического или биомиметического супергидрофобного материала в нанотехнологиях является нанопиновая пленка . [ необходима цитата ]

В одном исследовании представлена поверхность пятиокиси ванадия, которая обратимо переключается между супергидрофобностью и супергидрофильностью под действием УФ-излучения. [32] Согласно исследованию, любая поверхность может быть модифицирована с этой целью путем нанесения суспензии розовидных частиц V 2 O 5 , например, с помощью струйного принтера . И снова гидрофобность вызывается межслойными воздушными карманами (разделенными расстоянием 2,1 нм ). Также объясняется УФ-эффект. Ультрафиолетовый свет создает пары электрон-дырка , при этом дырки реагируют с кислородом решетки, создавая кислородные вакансии на поверхности, а электроны уменьшают V5+ в V 3+ . Кислородные вакансии заполняются водой, и именно эта водопоглощение поверхностью ванадия делает ее гидрофильной. При длительном хранении в темноте вода заменяется кислородом, и гидрофильность снова теряется. [ необходима цитата ]

Значительному большинству гидрофобных поверхностей гидрофобные свойства придаются структурной или химической модификацией поверхности объемного материала с помощью покрытий или обработки поверхности. Другими словами, наличие молекулярных частиц (обычно органических) или структурных особенностей приводит к высоким краевым углам смачивания воды. В последние годы было показано, что оксиды редкоземельных элементов обладают собственной гидрофобностью. [33] Собственная гидрофобность оксидов редкоземельных элементов зависит от ориентации поверхности и уровней кислородных вакансий [34] и, естественно, более прочна, чем покрытия или обработка поверхности, имея потенциальное применение в конденсаторах и катализаторах, которые могут работать при высоких температурах или в агрессивных средах. [цитата необходима ]

Приложения и потенциальные приложения [ править ]

Гидрофобный бетон производится с середины 20 века.

Активные недавние исследования супергидрофобных материалов могут в конечном итоге привести к большему количеству промышленных применений.

Сообщалось о простой процедуре покрытия хлопчатобумажной ткани частицами диоксида кремния [35] или диоксида титана [36] с помощью золь-гель-технологии , которая защищает ткань от УФ-излучения и делает ее супергидрофобной.

Сообщается об эффективном способе сделать полиэтилен супергидрофобным и, следовательно, самоочищающимся. [37] 99% грязи с такой поверхности легко смываются.

Узорчатые супергидрофобные поверхности также могут быть использованы для создания микрожидкостных устройств «лаборатория на кристалле» и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ. [38]

В фармацевтике гидрофобность фармацевтических смесей влияет на важные характеристики качества конечных продуктов, такие как растворение лекарственного средства и твердость . [39] Были разработаны методы измерения гидрофобности фармацевтических материалов. [40] [41]

См. Также [ править ]

  • Амфифил  - гидрофильное и липофильное химическое соединение.
  • Оксид церия (IV)
  • Измеритель угла смачивания
  • Пенная флотация
  • Гидрофил
  • Гидрофобный эффект  - агрегация неполярных молекул в водных растворах.
  • Шкалы гидрофобности
  • Липофобность , также известная как олеофобность.
  • Оксиды редкоземельных элементов
  • Кремнийорганический водоотталкивающий
  • Ультрагидрофобность , также известная как супергидрофобность - свойство материала.
  • Супергидрофобное покрытие

Ссылки [ править ]

  1. ^ Aryeh Ben-Na'im Hydrophobic Interaction Plenum Press, Нью-Йорк, ISBN  0-306-40222-X
  2. ^ Akhavan В, Джарвис К, Р Маевский (ноябрь 2013 г. ). «Гидрофобные плазменные частицы диоксида кремния с полимерным покрытием для удаления углеводородов нефти». ACS Appl. Матер. Интерфейсы . 5 (17): 8563–8571. DOI : 10.1021 / am4020154 . PMID 23942510 . 
  3. Перейти ↑ Liddell, HG & Scott, R. (1940). Греко-английский лексикон. пересмотрен и дополнен сэром Генри Стюартом Джонсом. с помощью. Родерик Маккензи. Оксфорд: Clarendon Press.
  4. ^ Гарретт, Реджинальд; Гришем, Чарльз (5 января 2012 г.). Биохимия . Cengage Learning. С. 31–35. ISBN 978-1133106296.
  5. Перейти ↑ Silverstein TP (1998). «Настоящая причина, по которой масло и вода не смешиваются» (PDF) . Журнал химического образования . 75 (1): 116–346. Bibcode : 1998JChEd..75..116S . DOI : 10.1021 / ed075p116 . Проверено 9 декабря 2011 года .
  6. Перейти ↑ Wang S, Jiang L (2007). «Определение супергидрофобных состояний». Современные материалы . 19 (21): 3423–3424. DOI : 10.1002 / adma.200700934 .
  7. ^ Янг, Т. (1805). «Очерк сцепления жидкостей». Фил. Пер. R. Soc. Лондон. 95 : 65–87. DOI : 10.1098 / rstl.1805.0005 .
  8. Перейти ↑ Wenzel, RN (1936). «Устойчивость твердых поверхностей к смачиванию водой». Ind. Eng. Chem . 28 (8): 988–994. DOI : 10.1021 / ie50320a024 .
  9. ^ де Жен, Пьер-Жиль (2004). Капиллярность и явления смачивания . ISBN 0-387-00592-7.
  10. Перейти ↑ Baxter AB, Cassie S (1944). «Смачиваемость пористых поверхностей». Пер. Faraday Soc. 40 : 546–551. DOI : 10.1039 / tf9444000546 .
  11. ^ Quere, D (2005). «Антипригарные капли». Отчеты о достижениях физики . 68 (11): 2495–2532. Bibcode : 2005RPPh ... 68.2495Q . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 68/11 / R01 .
  12. ^ Extrand CW (2005). «Моделирование ультралиофобности: взвесь жидких капель на единственной неровности». Ленгмюра . 21 (23): 10370–10374. DOI : 10.1021 / la0513050 . PMID 16262294 . 
  13. ^ Чжан Ю.Л., Sundararajan S (2008). «Супергидрофобные инженерные поверхности с настраиваемой способностью захватывать воздух». Журнал микромеханики и микротехники . 18 (3): 035024. Bibcode : 2008JMiMi..18c5024Z . DOI : 10.1088 / 0960-1317 / 18/3/035024 .
  14. ^ Джонсон RE, Dettre RH (1964). «Гистерезис контактного угла». J. Phys. Chem. 68 (7): 1744–1750. DOI : 10.1021 / j100789a012 .
  15. ^ Лорен, Сюзанна. "Как измерить гистерезис контактного угла?" . blog.biolinscientific.com . Проверено 31 декабря 2019 .
  16. ^ Бартлотт, Вильгельм; Элер, Неста (1977). Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten . Tropische und subtropische Pflanzenwelt (на немецком языке). п. 110. ISBN 978-3-515-02620-8.
  17. ^ Дж. Браун. «Патент США 4,911,782» .
  18. ^ Дж. Браун. «Патент США 5,200,152» .
  19. ^ Национальный научный фонд. «Цитометр с остановленным потоком» .
  20. ^ Дж. Браун. «Патент США 5,853,894» .
  21. ^ Бартлотт, Вильгельм; К. Нейнхейс (1997). «Чистота священного лотоса или спасение от загрязнения биологических поверхностей». Planta . 202 : 1–8. DOI : 10.1007 / s004250050096 .
  22. ^ Дж. Браун. «Патент США 6,767,587» .
  23. ^ Онда Т, Shibuichi С, Сато Н, Tsujii К (1996). «Суперводоотталкивающие фрактальные поверхности». Ленгмюра . 12 (9): 2125–2127. DOI : 10.1021 / la950418o .
  24. ^ а б Мива М, Накадзима А, Фудзисима А, Хашимото К., Ватанабэ Т. (2000). «Влияние шероховатости поверхности на углы скольжения капель воды на супергидрофобных поверхностях» . Ленгмюра . 16 (13): 5754–60. DOI : 10.1021 / la991660o .
  25. ^ Shirtcliffe NJ, Макхейл G, Ньютон MI, Перри CC (2003). «По сути супергидрофобные кремнийорганические золь-гелевые пены». Ленгмюра . 19 (14): 5626–5631. DOI : 10.1021 / la034204f .
  26. ^ Тира, DOH; Spanos, CG; Ridley, P .; Кинмонд, EJ; Roucoules, V .; Бадьял, JPS ; Брюэр, SA; Coulson, S .; Уиллис, К. (2002). «Импульсное плазменное осаждение супергидрофобных наносфер». Химия материалов . 14 (11): 4566–4571. DOI : 10.1021 / cm011600f . ISSN 0897-4756 . 
  27. ^ Bico Дж, Marzolin С, Quere D (1999). «Жемчужные капли» . Письма еврофизики . 47 (6): 743–744. Bibcode : 1999EL ..... 47..743B . DOI : 10.1209 / EPL / i1999-00453-у .
  28. ^ Extrand C (2008). «Самоочищающиеся поверхности: промышленная перспектива». Бюллетень МИССИС : 733.
  29. Перейти ↑ Gao L, McCarthy TJ (2007). «Как Венцель и Кэсси были неправы» . Ленгмюра . 23 (7): 3762–3765. DOI : 10.1021 / la062634a . PMID 17315893 . 
  30. ↑ Chen W, Fadeev AY, Hsieh ME, Öner D, Youngblood J, McCarthy TJ (1999). «Ультрагидрофобные и ультралиофобные поверхности: некоторые комментарии и примеры». Ленгмюра . 15 (10): 3395–3399. DOI : 10.1021 / la990074s .
  31. Перейти ↑ Wang ST, Liu H, Jiang L (2006). «Недавний процесс на био-вдохновленной поверхности с особой смачиваемостью». Ежегодный обзор наноисследований . 1 : 573–628. DOI : 10.1142 / 9789812772374_0013 . ISBN 978-981-270-564-8.
  32. ^ Сун Лим, Хо; Квак, Донхун; Юн Ли, Донг; Гу Ли, Сын; Чо, Килвон (2007). "УФ-управляемое обратимое переключение розообразной пленки оксида ванадия между супергидрофобностью и супергидрофильностью". Варенье. Chem. Soc. 129 (14): 4128–4129. DOI : 10.1021 / ja0692579 . PMID 17358065 .  
  33. ^ Трибонет: оксиды редкоземельных металлов обеспечивают долговечность водоотталкивающих поверхностей.
  34. ^ Fronzi, М (2019). «Теоретическое понимание гидрофобности поверхностей с низким индексом CeO2». Прикладная наука о поверхности . 478 : 68–74. arXiv : 1902.02662 . Bibcode : 2019ApSS..478 ... 68F . DOI : 10.1016 / j.apsusc.2019.01.208 .
  35. ^ Xue CH, Jia ST, Zhang LQ, Chen HZ, Wang M (1 июля 2008 г.). «Подготовка супергидрофобных поверхностей на хлопчатобумажных тканях» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (3): 035008. Bibcode : 2008STAdM ... 9c5008X . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/3/035008 . PMC 5099662 . PMID 27878005 .  
  36. ↑ Xue CH, Jai ST, Chen HZ, Wang H (1 июля 2008 г.). «Супергидрофобные хлопчатобумажные ткани, полученные путем золь – гель-покрытия TiO и гидрофобизации поверхности» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (3): 035001. Bibcode : 2008STAdM ... 9c5001X . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/3/035001 . PMC 5099655 . PMID 27877998 .  
  37. ↑ Yuan Z, Chen H, Zhang J, Zhao D, Liu Y, Zhou X, Li S, Shi P, Tang J, Chen X (1 декабря 2008 г.). «Получение и характеристика самоочищающегося стабильного супергидрофобного линейного полиэтилена низкой плотности» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (4): 045007. Bibcode : 2008STAdM ... 9d5007Y . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/045007 . PMC 5099649 . PMID 27878035 .  
  38. ^ Ressine А, Марко-Варга G, Лорел T (2007). «Технология микрочипов из пористого кремниевого белка и ультра- / супергидрофобные состояния для улучшенного биоаналитического считывания». Годовой обзор биотехнологии. 13 : 149–200. DOI : 10.1016 / S1387-2656 (07) 13007-6 . ISBN 9780444530325. PMID  17875477 . Cite journal requires |journal= (help)
  39. ^ Ван, Ифань; Лю, Чжаньцзе; Муццио, Фернандо; Дразер, немец; Каллегари, Херардо (01.03.2018). «Метод каплепадения для измерения смачиваемости порошковой смеси». Международный фармацевтический журнал . 538 (1): 112–118. DOI : 10.1016 / j.ijpharm.2017.12.034 . ISSN 0378-5173 . PMID 29253584 .  
  40. ^ Эмади, Хизер Н .; Кайрак ‐ Талай, Дефне; Литстер, Джеймс Д. (2013). «Схема режима образования гранул при ударе капли о пороховые пласты». Журнал Айше . 59 (1): 96–107. DOI : 10.1002 / aic.13952 . ISSN 1547-5905 . 
  41. ^ Llusa, Маркос; Левин, Михаил; Сни, Рональд Д.; Муццио, Фернандо Дж. (20 февраля 2010 г.). «Измерение гидрофобности смазанных смесей фармацевтических наполнителей». Порошковая технология . 198 (1): 101–107. DOI : 10.1016 / j.powtec.2009.10.021 . ISSN 0032-5910 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Что такое супергидрофобные поверхности?
  • Разница между гидрофобным и гидрофильным