Nowe materiały o niemal doskonałej hydrofobowości oferują potencjał w zakresie samoczyszczących powierzchni w samochodach i budynkach.
Naukowcy z Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) i Indyjskiego Instytutu Technologii Guwahati (IITG) opracowali materiał powierzchniowy, który prawie całkowicie odpycha krople wody. Stosując całkowicie innowacyjny proces, zmienili struktury metaloorganiczne (MOF-y) – sztucznie zaprojektowane materiały o nowych właściwościach – poprzez szczepienie łańcuchów węglowodorowych. Uzyskane w ten sposób właściwości superhydrofobowe (wyjątkowo wodoodporne) są interesujące w zastosowaniu jako powierzchnie samoczyszczące, które muszą być odporne na wpływy środowiska, np. w samochodach lub w architekturze. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „ Horyzonty materiałów dziennik.
Powierzchnie superhydrofobowe z MOF
Struktury metaloorganiczne (MOF) składają się z jonów metali połączonych organicznymi łącznikami, tworząc porowatą strukturę przypominającą gąbkę. Ich niezwykła powierzchnia – zaledwie dwa gramy mogą pokryć wielkość boiska do piłki nożnej – czyni je cennymi do zastosowań takich jak magazynowanie gazu, separacja dwutlenku węgla i zaawansowane technologie medyczne.
Poza porami wewnętrznymi, zewnętrzne powierzchnie MOF oferują również unikalne właściwości. Naukowcy udoskonalili te powierzchnie, szczepiąc łańcuchy węglowodorowe na cienkich warstwach MOF, tworząc wodoodporny materiał o kącie zwilżania ponad 160 stopni. Wyższy kąt zwilżania oznacza lepszą hydrofobowość, ponieważ kropelki wody zamiast się rozprzestrzeniać, tworzą prawie kulisty kształt.
„Dzięki naszej metodzie jesteśmy w stanie uzyskać powierzchnie superhydrofobowe o kątach zwilżania znacznie wyższych niż w przypadku innych gładkich powierzchni i powłok” – wyjaśnia profesor Christof Wöll z Instytutu Interfejsów Funkcjonalnych KIT. „Chociaż właściwości zwilżające cząstek proszku MOF badano już wcześniej, zastosowanie w tym celu monolitycznych cienkich warstw MOF jest przełomową koncepcją”.
Materiały „superhydrofobowe” nowej generacji
Zespół przypisuje te wyniki szczotkowatemu ułożeniu (szczotki polimerowe) łańcuchów węglowodorowych w MOF. Po zaszczepieniu na materiałach MOF mają one tendencję do tworzenia „cewek” – stanu nieuporządkowania, który naukowcy nazywają „stanem wysokiej entropii”, który jest niezbędny ze względu na jego właściwości hydrofobowe. Naukowcy stwierdzili, że takiego stanu szczepionych łańcuchów węglowodorowych nie można zaobserwować w przypadku innych materiałów.
Godne uwagi jest to, że kąt zwilżania wodą nie wzrósł nawet wtedy, gdy do szczepienia zastosowano perfluorowane łańcuchy węglowodorowe, czyli podstawienie atomów wodoru fluorem. W materiałach takich jak teflon perfluorowanie powoduje uzyskanie właściwości superhydrofobowych. Jednak, jak odkrył zespół, w nowo opracowanym materiale znacznie zmniejszył się kąt zwilżania wody. Dalsze analizy w symulacjach komputerowych potwierdziły, że cząsteczki perfluorowane – w przeciwieństwie do łańcuchów węglowodorowych – nie mogły przyjąć korzystnego energetycznie stanu wysokiej entropii.
Wnioski z chropowatości powierzchni i analizy teoretycznej
Ponadto naukowcy zmieniali chropowatość powierzchni swoich systemów SAM@SURMOF w zakresie nanometrów, jeszcze bardziej zmniejszając siłę przylegania wody. Nawet przy wyjątkowo małych kątach nachylenia kropelki wody zaczęły spływać, a ich właściwości hydrofobowe i samooczyszczające uległy znacznej poprawie.
„Nasza praca obejmuje również szczegółową analizę teoretyczną, która łączy nieoczekiwane zachowanie pokazane w eksperymentach ze stanem wysokiej entropii cząsteczek szczepionych na foliach MOF” – mówi profesor Uttam Manna z wydziału chemii IITG. „To badanie zmieni projektowanie i produkcję materiałów nowej generacji o optymalnych właściwościach hydrofobowych”.
Odniesienie: „Funkcjonalizacja monolitycznych cienkich warstw MOF za pomocą łańcuchów węglowodorowych w celu uzyskania superhydrofobowych powierzchni o regulowanej sile przylegania wody”: Evgenia Bogdanova, Modan Liu, Patrick Hodapp, Angana Borbora, Wolfgang Wenzel, Stefan Bräse, André Jung, Zheqin Dong, Pavel A. Levkin, Uttam Manna, Tawheed Hashem i Christof Wöll, 15 listopada 2024 r., Horyzonty materiałów.
DOI: 10.1039/D4MH00899E
