Википедија

Хидрофоб

Хидрофобност (од грч. hydro - вода и грч. phobos - страх) је физичка особина молекула (познатих као хидрофоби) да се одбијају од водене масе.[1]

Кап росе на хидрофобној површини листа
Водене капи на хидрофобној површини траве

Хидрофобни молекули су углавном неполарни и стога преферирају друге неутралне молекуле и неполарне раствараче. Хидрофобни молекули у води се често групишу и формирају мицеле. Вода на хидрофобним површинама манифестује високи угао квашења.

Примери хидрофобних молекула су алкани, уља, масти, и уопште масне супстанце. Хидрофобни материјали се користе за уклањање уља из воде, управљање разливеном нафтом, и хемијским сепарационим процесима за раздвајање неполарних од поларних једињења.

Термини хидрофобан и липофилан се често поистовећују. Међутим, ова два термина нису синонимна. Док су хидрофобне супстанце често липофилне, постоје изузеци - као што су силикони и флуороугљеници.

Хемијска позадина

уреди

Са термодинамичког становишта, материја тежи ка нискоенергетском стању, и везивање молекула умањује хемијску енергију. Вода је електронски поларизована, те је у могућности да формира интерне водоничне везе, што јој даје многе од њених јединствених физичких својстава. Пошто хидрофоби нису електронски поларизовани, и зато што они немају способност формирања водоничних веза, вода одбија хидрофобе, и радије формира везе са другим молекулима воде. Тај ефекат је узрок хидрофобних интеракција.[2] Две непомешане фазе (хидрофилна и хидрофобна) се мењају тако да њихове одговарајуће површине буду минималне. Овај ефекат се може визуелизовати у случају феномена званог фазно раздвајање.

Суперхидрофобност

уреди
 
Кап на површини листа лотоса.

Суперхидрофобне површине као што су листови биљке лотос имају површине које се изузетно тешко квасе. Углови квашења су већи од 150°.[3] Ово се назива ефектом лотоса, и физичка је особина примарно везна за површински напон, више него за хемијска својства.

Теорија

уреди

Томас Јанг је 1805. године дефинисао угао квашења θ анализирајући силе које делују на капљицу флуида која се налази на чврстој површини окружена гасом.[4]

 

где су:

  •  - површински напон између чврсте подлоге и гаса;
  •  - површински напон између чврсте подлоге и капљице;
  •  - површински напон између капљице и гаса.

θ се може измерити користећи гониометар.

Венцел је утврдио да, када је течност у интимном контакту са микроструктурисаном површином, θ ће се променити у θW*

 

где је r однос стварне површине са пројектованим подручјем.[5] Венцелова једначина показује да мукроструктурисање површине појачава природну тенденцију површине. Хидрофобна површина (која има оригинални угао квашења већи од 90°) постаје више хидрофобна када се микроструктурише – нови угао квашења постаје већи од оригиналног. Међутим, хидрофилна површина (која има оригинални угао квашења мањ од 90°) постаје више хидрофилна када се микроструктурише – нови угао квашења постаје мањи од оригиналног.[6] Кеси и Бекстер су открили да ако је течност суспендована на врховима микроструктура, θ ће се променити у θЦБ*:

 

где је φ део површине чврсте материје која додирује течност.[7] Течност у Кеси-Бекстер стању је много мобилнија него у Венцел стању.

Можемо предвидети да ли треба да постоји Венцел или Кеси-Бекстер стање рачунајући нови угао квашења преко обе једначине. Минимизацијом аргумената за слободну енергију, однос који предвиђа мањи нови угао квашења је стање које је највероватније да постоји. Наведено у математичком смислу, да би Кеси-Бекстер стање постојало, следећа неједнакост мора бити тачна:[8]

 

Недавни алтернативни критеријум за Кеси-Бекстер стање потврђује да ово стање постоји ако су следећа два критеријума испуњена: (1) контактне линије силе преовладавају телесне силе непотпомогнуте тежине капљице и (2) микроструктуре су довољно високе да спрече течност која премошћава микроструктура да додирне базу микроструктура.[9]

Нови критеријум за прелазак између Венцел и Кеси-Бекстер стања недавно је развијен на основу храпавости површине и површинске енергије.[10] Критеријум се фокусира на способност "хватања" ваздуха испод капљице на грубим површинама, што би могло показати да ли Венцелов или Кеси-Бекстеров модел треба да буде коришћен за одређену комбинацију храпавости и енергије површине.

Угао квашења је мера статичне хидрофобности, а хистерезис угла квашења и угао клизања су динамичке мере. Хистерезис угла квашења је феномен који карактерише хетерогеност површине.[11] Када се пипетом стави течност на чврсту твар, течност ће формирати неки угао квашења. Како пипета ставља више течности, тако ће капљица повећавати запремину, а угао квашења ће се повећавати, али ће његова трофазна граница остати стационарна док изненада не крене напоље. Угао квашења који је капљица имала непосредно пре изливања напоље назива се напредујући угао квашења. Опадајући угао квашења се сада мери пумпањем течности из капљице. Капљица ће смањити своју запремину, угао квашења ће се смањити, али његова трофазна граница ће остати стационарна све док се изненада не повуче унутра. Угао квашења капљице непосредно пре повлачења унутра се назива узмичући угао квашења. Разлика између напредујућег и узмичућег угла квашења назива се хистерезис угла квашења и може се користити за карактеризацију површинске хетерогености, храпавости и мобилности.

Површине које нису хомогене имаће домене који ометају кретање контактне линије. Угао клизања је још једна динамичка мера хидрофобности и мери се депоновањем капљице на површину и нагињањем површине док капљица не почне да клизи. Уопштено, течности у Каси-Бекстеровом стању показују мање углове клизања и хистерезис угла квашења него они у Венцеловом стању.

Истраживање и развој

уреди
Капљице воде котрљају се низ нагнуту хидрофобну површину.
Капи воде на вештачкој хидрофобној површини (лево)

Детр и Џонсон су открили 1964. године да је феномен суперхидрофобног лотусовог ефекта повезан са грубо хидрофобним површинама, и они су развили теоретски модел базиран на експериментима са стакленим куглицама обложеним парафином или ТФЕ теломером. О својству самочишћења суперхидрофобних микро-наноструктурних површина извештено је 1977. године.[12] Развијени су перфлуороалкил, перфлуорополиетар и РФ плазмени суперхидрофобни материјали, који се користе за електровлажење и који су комерцијализовани за биомедицинске примене између 1986 и 1995.[13][14][15][16] Остала технологија и апликације појавиле су се од средине 1990-их.[17] За издржљиве суперхидрофобне хијерархијске композиције, примењиве у једном или два корака, откривено је 2002. године да садрже честице нано величине ≤ 100 нанометара које прекривају површину која има својства микрометарске величине или честице од ≤ 100 микрометара. Запажено је да веће честице штите мање честице од механичке абразије.[18]

У недавном истраживањима забележена је суперхидрофобност тако што је омогућено да се алкилкетенски димер (АКД) очврсне у наноструктурну фракталну површину.[19] Многе публикације су од тада представиле методе израде за производњу суперхидрофобних површина, укључујући таложење честица,[20] сол-гел технике,[21] третмане плазмом,[22] депозицију паром,[20] и технике ливења.[23] Садашње могућности за истраживање утицаја леже углавном у фундаменталном истраживању и практичној производњи.[24] Недавно су се појавиле дебате о применљивости Вензеловог и Каси-Бактеровог модела. У експерименту осмишљеном да преиспита перспективу површинске енергије тих модела и да промовише перспективу контактне линије, капљице воде су стављене на глатко хидрофобно место у грубом хидрофобном пољу, грубо хидрофобно место у глатком хидрофобном пољу, и хидрофилно место у хидрофобном пољу.[25] Експерименти су показали да површинска хемија и геометрија на контактној линији утичу на контактни угао и хистерезу контактног угла, док област површине унутар контактне линије нема ефекта. Такође је разматран аргумент да повећана рапавост на контактној линији повећава покретљивост капљица.[26]

Многи хидрофобни материјали нађени у природи се ослањају на Касијев закон и двофазни су на подмикрометрском нивоу кад је једна компонента ваздух. Ефекат лотоса је заснован на овом принципу. На бази тога су припремљене многе функционалне суперхидрофобне површине.[27] Један пример бионичког или биомиметичког суперхидрофобног материала у нанотехнологији је нанопински филм.

Једна студија је описала површину ванадијум пентоксида која реверзибилно прелази између суперхидрофобности и суперхидрофилности под утицајем УВ зрачења.[28] Према тој студији, било која површина се може модификовати овим ефектом применом суспензије попут V2O5 честица, на пример помоћу инкџет штампача. Након што се хидрофобност индукује интерламинарним ваздушним отворима (раздвојеним растојањима од 2,1 нм). Објашњен је и УВ ефекат. УВ светлост ствара парове електрона и отвора, при чему отвори реагирају са кисеоником решетке, стварајући површинска слободна места кисеоника, док електрони редукују V5+ до V3+. Кисеонична слободна места попуњава вода, а управо ова апсорпција воде чини површином ванадијума хидрофилном. Дужим одлагањем у мраку, воду замењује кисеоник и хидрофилност се поново губи.

Види још

уреди

Референце

уреди
  1. ^ Бен-Наим, Ариех (1980). Хyдропхобиц интерацтионс. Неw Yорк: Пленум Пресс. ИСБН 978-0-306-40222-7. 
  2. ^ Госс, Каи-Уwе; Сцхwарзенбацх, Ренé П. (2003). „Рулес оф Тхумб фор Ассессинг Еqуилибриум Партитионинг оф Органиц Цомпоундс: Суццессес анд Питфаллс”. Јоурнал оф Цхемицал Едуцатион. 80: 450. дои:10.1021/ед080п450. 
  3. ^ Wанг, Схутао; Јианг, L. (2007). „Дефинитион оф суперхyдропхобиц статес”. Адванцед Материалс. 19: 3423—3424. дои:10.1002/адма.200700934. 
  4. ^ Yоунг, Тхомас (1. 1. 1805). „ИИИ. Ан ессаy он тхе цохесион оф флуидс”. Пхилосопхицал Трансацтионс оф тхе Роyал Социетy оф Лондон (на језику: енглески). 95: 65—87. ИССН 0261-0523. дои:10.1098/рстл.1805.0005. 
  5. ^ Wензел, Р.Н. „Ресистанце оф Солид Сурфацес то Wеттинг бy Wатер”. Инд. Енг. Цхем. 
  6. ^ де., Геннес, Пиерре-Гиллес (2004). Цапилларитy анд wеттинг пхеномена : дропс, бубблес, пеарлс, wавес. Броцхард-Wyарт, Франçоисе., Qуéрé, Давид. Неw Yорк: Спрингер. ИСБН 978-0-387-00592-8. ОЦЛЦ 51559047. 
  7. ^ Цассие, А. Б. D.; Баxтер, С. (1944). „Wеттабилитy оф пороус сурфацес”. Трансацтионс оф тхе Фарадаy Социетy (на језику: енглески). 40 (0): 546. ИССН 0014-7672. дои:10.1039/тф9444000546. 
  8. ^ Qуéрé, Давид (7. 9. 2005). „Нон-стицкинг дропс”. Репортс он Прогресс ин Пхyсицс. 68 (11): 2495—2532. ИССН 0034-4885. дои:10.1088/0034-4885/68/11/р01. 
  9. ^ Еxтранд, C. W. „Моделинг оф Ултралyопхобицитy:  Суспенсион оф Лиqуид Дропс бy а Сингле Асперитy”. Лангмуир (на језику: енглески). 21 (23): 10370—10374. ИССН 0743-7463. дои:10.1021/ла0513050. 
  10. ^ Зханг, Yилеи; Сундарарајан, Срирам (6. 2. 2008). „Суперхyдропхобиц енгинееринг сурфацес wитх тунабле аир-траппинг абилитy”. Јоурнал оф Мицромецханицс анд Мицроенгинееринг. 18 (3): 035024. ИССН 0960-1317. дои:10.1088/0960-1317/18/3/035024. 
  11. ^ Јохнсон, Рулон Е.; Деттре, Роберт Х. „Цонтацт Англе Хyстересис. III. Студy оф ан Идеализед Хетерогенеоус Сурфаце”. Тхе Јоурнал оф Пхyсицал Цхемистрy (на језику: енглески). 68 (7): 1744—1750. ИССН 0022-3654. дои:10.1021/ј100789а012. 
  12. ^ Бартхлотт, Wилхелм; Ехлер, Неста (1977). Растер-Електроненмикроскопие дер Епидермис-Оберфлäцхен вон Сперматопхyтен. Трописцхе унд субтрописцхе Пфланзенwелт (на језику: Герман). стр. 110. ИСБН 978-3-515-02620-8. 
  13. ^ Ј. Броwн. „УС Патент 4,911,782”. Архивирано из оригинала 14. 07. 2018. г. Приступљено 25. 05. 2020. 
  14. ^ Ј. Броwн. „УС Патент 5,200,152”. Архивирано из оригинала 27. 07. 2017. г. Приступљено 25. 05. 2020. 
  15. ^ Натионал Сциенце Фоундатион. „Стоппед-Флоw Цyтометер”. 
  16. ^ Ј. Броwн. „УС Патент 5,853,894”. Архивирано из оригинала 22. 01. 2017. г. Приступљено 25. 05. 2020. 
  17. ^ Бартхлотт, Wилхелм; C. Неинхуис (1997). „Тхе пуритy оф сацред лотус ор есцапе фром цонтаминатион ин биологицал сурфацес”. Планта. 202: 1—8. дои:10.1007/с004250050096. 
  18. ^ Ј. Броwн. „УС Патент 6,767,587”. Архивирано из оригинала 14. 07. 2018. г. Приступљено 25. 05. 2020. 
  19. ^ Онда Т, Схибуицхи С, Сатох Н, Тсујии К (1996). „Супер-Wатер-Репеллент Фрацтал Сурфацес”. Лангмуир. 12 (9): 2125—2127. дои:10.1021/ла950418о. 
  20. ^ а б Миwа M, Накајима А, Фујисхима А, Хасхимото К, Wатанабе Т (2000). „Еффецтс оф тхе Сурфаце Роугхнесс он Слидинг Англес оф Wатер Дроплетс он Суперхyдропхобиц Сурфацес”. Лангмуир. 16 (13): 5754—60. дои:10.1021/ла991660о. 
  21. ^ Схиртцлиффе Њ, МцХале Г, Неwтон MI, Перрy CC (2003). „Интринсицаллy суперхyдропхобиц органосилица сол-гел фоамс”. Лангмуир. 19 (14): 5626—5631. дои:10.1021/ла034204ф. 
  22. ^ Теаре, D. О. Х.; Спанос, C. Г.; Ридлеy, П.; Кинмонд, Е. Ј.; Роуцоулес, V.; Бадyал, Ј. П. С.; Бреwер, С. А.; Цоулсон, С.; Wиллис, C. (2002). „Пулсед Пласма Депоситион оф Супер-Хyдропхобиц Наноспхерес”. Цхемистрy оф Материалс. 14 (11): 4566—4571. ИССН 0897-4756. дои:10.1021/цм011600ф. 
  23. ^ Бицо Ј, Марзолин C, Qуéрé D (1999). „Пеарл дропс”. Еуропхyсицс Леттерс. 47 (6): 743—744. Бибцоде:1999ЕЛ.....47..743Б. дои:10.1209/епл/и1999-00453-y  . 
  24. ^ Еxтранд C (2008). „Селф-Цлеанинг Сурфацес:Ан Индустриал Перспецтиве”. МРС Буллетин: 733. 
  25. ^ Гао L, МцЦартхy ТЈ (2007). „Хоw Wензел анд Цассие Wере Wронг”. Лангмуир. 23 (7): 3762—3765. ПМИД 17315893. дои:10.1021/ла062634а. 
  26. ^ Цхен W, Фадеев АY, Хсиех МЕ, Öнер D, Yоунгблоод Ј, МцЦартхy ТЈ (1999). „Ултрахyдропхобиц анд ултралyопхобиц сурфацес: Соме цомментс анд еxамплес”. Лангмуир. 15 (10): 3395—3399. дои:10.1021/ла990074с. 
  27. ^ Wанг СТ, Лиу Х, Јианг L (2006). „Рецент процесс он био-инспиред сурфаце wитх специал wеттабилитy”. Аннуал Ревиеw оф Нано Ресеарцх. 1: 573—628. ИСБН 978-981-270-564-8. дои:10.1142/9789812772374_0013. 
  28. ^ Сун Лим, Хо; Кwак, Донгхоон; Yун Лее, Донг; Гоо Лее, Сеунг; Цхо, Килwон (2007). „УВ-Дривен Реверсибле Сwитцхинг оф а Роселике Ванадиум Оxиде Филм бетwеен Суперхyдропхобицитy анд Суперхyдропхилицитy”. Ј. Ам. Цхем. Соц. 129 (14): 4128—4129. ПМИД 17358065. дои:10.1021/ја0692579. 

Литература

уреди

Спољашње везе

уреди
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Hidrofob&oldid=28521031”