Материал: Размерные эффекты при смачивании. Эффект лотоса

Размерные эффекты при смачивании. Эффект лотоса

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Казанский национальный исследовательский технологический университет" (ФГБОУ ВПО КНИТУ)

Кафедра АХСМК

Курсовая работа

Размерные эффекты при смачивании. Эффект лотоса

Казань 2014

Содержание

жидкость гидрофильность дисплей капля

Введение

. Основная часть

. Явление гидрофильности и гидрофобности

. Взаимодействие поверхности с жидкостями различной природы

. Эффект лотоса

. От "Наноковра" к "Наногазону"

. Танцующая капля

. "Жидкий" дисплей и видео на "бумаге"

. Капля в "нанотраве"

Заключение

Список литературы

Введение

Явление смачивания играет огромную роль в жизни многих растений и животных, помогая им как добывать влагу, так и защищаться от ее излишков. Например, водоплавающие животные и птицы умеют в буквальном смысле выходить сухими из воды, а колючки некоторых кактусов способны поглощать влагу прямо из воздуха. Человек всегда старался не отставать от братьев своих меньших, с древнейших времен используя законы природы в своей хозяйственной деятельности. В последние годы появился целый ряд новых многообещающих технологий, основанных на эффекте смачивания.

Смачивание, поверхностное явление, наблюдаемое при контакте жидкости <#"869353.files/image001.gif">

где П - расклинивающее давление <#"869353.files/image002.jpg">

Рисунок 1. "Шипы" на замороженных и высушенных листьях лотоса под электронным микроскопом.

Высокая плотность "шипов" на поверхности и небольшой диаметр обеспечивают супергидрофобные свойства растения. Фото Вильгельма Бартлотта (W. Barthlott).

Понятие "эффект лотоса" ввёл немецкий ботаник Вильгельм Бартлотт в 1990-х годах, впервые описавший микроструктуру поверхности листьев цветка.

Поверхность листа лотоса содержит своеобразные шипы размером в несколько микрометров, состоящие из гидрофобных веществ (воска и др.). Благодаря такому удивительному строению поверхности вода, попадающая на листья, не растекается, а "садится" на шипы в виде шарообразных капель. Тем самым обеспечивается существенное снижение площади контакта жидкости с поверхностью листа. Она составляет менее одного процента всей площади капли, а краевой угол смачивания может достигать 170°. В итоге при малейшем наклоне вода скатывается с листа, захватывая при этом частички пыли и грязи. Удивительно, но даже если погрузить лист лотоса в замутнённую воду, а затем вынуть, он останется без единого пятнышка.

Рисунок 2. Краевой угол смачивания (γ) гидрофобной (не смачиваемой водой) поверхности более 90°, гидрофильной (смачиваемой водой) - меньше или равен 90°

На основе "эффекта лотоса" созданы материалы с крайне низкой смачиваемостью водой - супергидрофобные материалы. Их разработкой занялись ещё в семидесятых годах прошлого века. Первые появились в 1986 году - это были перфторалкильные и перфторполиэфирные материалы, предназначенные для работы с химическими и биологическими жидкостями. Позже были созданы и другие материалы с крайне низкой смачиваемостью.

В 2007 году С. Ванг и Л. Янг из Института химии Китайской академии наук (Пекин) в статье "Definition of superhydrophobic states" ("Определение супергидрофобного состояния"), вышедшей в журнале "Advanced Materials", уточнили это понятие. Формально материалы-супергидрофобы отличаются от гидрофобных значениями угла контакта капли воды с поверхностью (он же краевой угол смачивания) и угла скатывания. К супергидрофобным относят материалы, у которых контактный угол превышает 150°, а капля скатывается при наклоне поверхности менее чем на 10°.

Варьируя условия получения и химический состав материала, исследователи разработали покрытия с различными степенями смачивания. Тем самым были решены некоторые важные прикладные задачи. В качестве примеров можно назвать защиту городских зданий от загрязнений и разрушения с помощью водоотталкивающих покрытий, защиту одежды и обуви от воды, защиту металлов в условиях влажной атмосферы.

Одно из самых забавных применений супергидрофобных покрытий предложили сотрудники группы Сирила Дуэса из Лионского университета. Наверняка каждый сталкивался с тем, что струйка чая или воды льётся, скользя вдоль носика, и вместо чашки оказывается на скатерти. Французские материаловеды продемонстрировали прототип супергидрофобного чайника, лишённого этого распространённого недостатка. "Чудо" чайника объясняется наличием наноструктурированной гидрофобной внешней поверхности носика. Её краевой угол смачивания близок к 180°, что заставляет проливающиеся капли буквально отскакивать от сосуда.

Струя воды из чайника с гидрофильной поверхностью стекает по носику (фото вверху). Супергидрофобный носик решает неприятную для любой хозяйки проблему (фото внизу). Фото Лидерика Боке (Lyderic Bocquet et. al., Лионский университет)

Рисунок 3. Гидрофильная поверхность

Стоит отметить, что все новейшие разработки в области создания супергидрофобных поверхностей тесно связаны с развитием новых методов получения микро- и наноструктурированных покрытий - предмета активной работы многих исследовательских центров и университетов. Однако большинство этих работ пока остаются на стадиях лабораторных испытаний и создания прототипов. Их успешной коммерциализации препятствуют неудовлетворительная олеофобность (способность к "отталкиванию" молекул жиров и масел), непригодность к работе в условиях повышенных механических нагрузок и температур, а также высокая себестоимость. Но недавно исследователи из Виссеновского института биоинженерии при Гарвардском университете (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, США) под руководством профессора Джоанны Айзенберг создали супергидрофобные покрытия, лишённые этих недостатков.

Панафобные материалы

Как и раньше, идея нового материала была заимствована у природы - на сей раз у непентеса кувшинчикового, известного своим хищническим характером. Благодаря уникальным свойствам "цветка" этого растения - ловчего кувшина, образованного пластинкой листа, севшее на него насекомое мгновенно соскальзывает внутрь, попадая в смертельную ловушку.

Непентес относится к насекомоядным растениям, приспособившимся к ловле и перевариванию насекомых. Так они добывают себе дополнительный азот для синтеза собственных белков.

Перистом - структура, расположенная вокруг входа в ловушку растения (ловчего листа)

Рисунок 4. Непентес (ловчий лист)

Технология, разработанная группой Джоанны Айзенберг, получила название SLIPS* (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces - несмачиваемые пористые поверхности, пропитанные жидкостью). Пористые покрытия, создаваемые с её помощью, - настоящие панафобы (от англ. рanphobia - боязнь всего), поскольку плохо смачиваются практически любой жидкостью - водой, солевыми растворами, нефтью и др.

В названии присутствует игра слов: с английского SLIPS переводится как "скользить".

Рисунок 5. SLIPS-материал

Демонстрация олеофобности SLIPS-материала: даже при очень маленьком наклоне капля нефти скатывается с покрытия. Вверху показано поведение капли нефти на повреждённой поверхности SLIPS-материала.

Какая именно особенность непентеса кувшинчикового реализована в инновационных покрытиях, авторы подробно не описывают, но можно предположить, что она связана со специфическим строением ловушки. Согласно недавним исследованиям, основную роль в захвате насекомых цветком играет его перистом - структура у входа в кувшинообразную ловушку.

Поверхность перистома содержит микроскопические впадины между соседними эпидермальными клетками - своеобразные поры, в которых находится смазочная жидкость - вода или нектар. Вода может попадать туда во время дождя или вследствие конденсации влаги из воздуха. Нектар выделяют многочисленные железы цветка. Такое строение приводит к эффекту, подобному аквапланированию - возникновению гидродинамического клина в пятне контакта шины автомобиля. При большой скорости на дороге, покрытой слоем воды, шина не успевает продавить водяную плёнку и может полностью потерять контакт с дорогой. Так и здесь: - небольшой слой жидкости на растении приводит к тому, что лапки насекомого теряют сцепление с его поверхностью.

Эффект аквапланирования более всего известен автомобилистам. Водяной слой отделяет шины движущегося авто от дорожной поверхности, что приводит к полной или частичной потере сцепления. Иллюстрация Дэйва Индеча (Dave Indech)

Рисунок 6. Движущая шина

Полученные образцы SLIPS-материалов могут работать в экстремальных условиях высоких давлений, мгновенно самовосстанавливаться, оптически прозрачны и химически инертны. Кроме того, они имеют низкую адгезию к таким материалам, как лёд и воск.

Свойства SLIPS-покрытий определяют множество их потенциальных приложений, под каждое из которых материал может быть соответствующим образом оптимизирован.

Например, стабильность SLIPS-материалов при различных температурах и давлениях делает их идеальными для использования в качестве покрытий нефте- и водопроводов, антиобледенительных покрытий для приборов, работающих при отрицательных температурах, и даже материалов для глубоководных исследований.

Оптическая прозрачность (в видимом и ближнем ИК-диапазонах) и способность к самоочищению открывают перспективы их применения в качестве покрытий для оптических поверхностей солнечных батарей, линз, сенсорных датчиков, приборов ночного видения. Несмачиваемость биологическими жидкостями (такими как кровь или лимфа) пригодится в борьбе с биозагрязнением поверхности медицинских приборов и инструментов.

Рисунок 7

Панафобная натура SLIPS-материалов предопределяет их применение и в качестве защитных покрытий на порогах жилищ от насекомых, а также корпусов морских судов - от биообрастания.

Процесс получения SLIPS-покрытий представлят собой нанесение пористой структуры на подложку и её дальнейшее "наполнение" специальным раствором, создающим мультифобную плёнку на поверхности. Как именно это происходит, составляет ноу-хау авторов разработки.

Как утверждают исследователи из Виссеновского института, покрытия SLIPS можно создавать из простых и недорогих материалов без специализированного оборудования, что, несомненно, очень привлекательно. Детали процесса не раскрываются, но, согласно публикации в журнале "NanoToday", можно предположить, что в качестве пористой структуры предлагается использовать недорогие полимеры на основе полидиметилсилоксана. Эти полимеры доступны, нетоксичны, гидрофобны, работают в широком диапазоне температур (от -60о до +300оС). Конечно, большой интерес представляют как составы растворов, которыми наполняют пористые структуры, так и условия их нанесения. Однако об этом можно только догадываться. Так или иначе, видимо, уже в недалёком будущем на смену супергидрофобным материалам придут панафобные.

. Явление гидрофильности и гидрофобности

Всем известно, что, если поместить каплю жидкости на плоскую поверхность, она либо растечется по ней, либо примет округлую форму. Причем размер и выпуклость (величина так называемого краевого угла) лежащей капли определяется тем, насколько хорошо она смачивает данную поверхность. Явление смачивания можно объяснить следующим образом. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого тела, жидкость стремится собраться в капельку. Так ведет себя ртуть на стекле, вода на парафине или на "жирной" поверхности. Если же, наоборот, молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого тела, жидкость "прижимается" к поверхности, расплывается по ней. Это происходит с каплей ртути на цинковой пластине или с каплей воды на чистом стекле. В первом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность (краевой угол больше 90°), а во втором - смачивает ее (краевой угол меньше 90°). Иначе говорят, что в первом случае поверхность по отношению к данной жидкости лиофобна (от греч. лио - растворяю, фобио - бояться), а во втором - лиофильна (филио - любить).

3. Взаимодействие поверхности с жидкостями различной природы

Таким образом, все определяется силой взаимного притяжения молекул жидкости и твердого тела, которая в свою очередь зависит как от природы жидкости, так и от свойств поверхности. Можно ли управлять этими свойствами? Оказывается, да. Растения и животные в процессе эволюции придумали для этого множество остроумных способов. Из них самый очевидный - смазать поверхность тонким слоем вещества, "любящего" или "не любящего" данную жидкость. В случае воды говорят о гидрофильных и гидрофобных покрытиях. Легко проверить, что, если намазать поверхность стекла маслом, ее водоотталкивающие свойства возрастут, а если вместо масла взять мыло - наоборот, уменьшатся.

Именно водоотталкивающая смазка помогает многим животным спасаться от излишнего намокания. Например, исследования морских животных и птиц - котиков, тюленей, пингвинов, гагар - показали, что их пуховые волосы и перья обладают гидрофобными свойствами, тогда как остевые волосы зверей и верхняя часть контурных перьев птиц хорошо смачиваются водой. В результате между телом животного и водой создается воздушная прослойка, играющая значительную роль в терморегуляции и теплоизоляции.

. Эффект лотоса

Но смазка это еще не все. Немалую роль в явлении смачивания играет и структура поверхности. Шероховатый, бугристый или пористый рельеф может улучшить смачивание. Вспомним, к примеру, губки и махровые полотенца, прекрасно впитывающие воду. Но если поверхность изначально "боится" воды, то развитый рельеф лишь усугубит ситуацию: капельки воды будут собираться на выступах и скатываться.

Очевидно, что лотос является одним из важнейших символов Востока и не только. Например, во времена фараонов лотос был символом Нижнего Египта и царской власти: цветок лотоса носила Нефертити. Бог растительности, Нефертум, также олицетворял первозданный лотос и поэтому именовался "молодым солнцем, что возникает из раскрывающегося лотоса". В индуизме и буддизме лотос фактически один из основных символов космогонии, он олицетворяет чистоту, мудрость, нирвану и многое другое. Кстати, главная буддистская словесная формула (ом-мане-падме-хум) означает просто восхваление сокровища в виде цветка лотоса. В Китае цветок лотоса обожествлялся ещё со времён даосизма, а затем его культ прочно вошёл в буддистскую религию и в национальную культуру. История почитания лотоса очень интересна, но для современности важнее то, что он действительно обладает необычными физико-химическими свойствами. Благодаря особому строению и очень высокой гидрофобности его листьев и лепестков цветы лотоса остаются удивительно чистыми - именно это поражало наших далёких предков. Цветок, возникший в грязном болоте и оставшийся чистым, незапятнанным, просто не мог не стать символом. Стихотворение средневекового корейского поэта Сон Кана (Чон Чхоля), написанное в форме классического трёхстишия сичжо (в переводе А. Ахматовой), прямо описывает эффект сверхгидрофобности лотоса: