Супергидрофобный материал сохранил свои свойства после тысячи сгибаний

Японские ученые создали прочный и эластичный супергидрофобный материал, по структуре напоминающий кожу рыбы-ежа. Микроструктурный материал из звездообразных частиц из оксида цинка, покрытых полимером, сохранял гидрофобные свойства даже после 1000 циклов трения и сгибания, а также выдержал скручивание, нанесение царапин и разрезов. Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Супегидрофобные структуры (краевой угол смачивания у них больше 150 градусов) обладают особенными водоотталкивающими свойствами. В природе этот эффект, например, помогает листьям лотоса защищаться от заселения микроорганизмами, а бабочкам — не намокнуть. Чаще всего такие материалы состоят из небольших по размерам шероховатостей, структура которых легко разрушается, если ее согнуть или деформировать по-другому.

Ёсихиро Ямаути (Yoshihiro Yamauchi) с коллегами из Национального института наук о материалах вдохновились строением кожи морского ежа и создали структуру из звездообразных микрочастиц оксида цинка с четырьмя иглами, покрытую полидиметилсилоксаном для придания ей упругости и гидрофобности. В раствор полимера насыпали микрочастицы, перемешивали около десяти минут и выливали на бумагу с тефлоном, на которой суспензия неделю сушилась при комнатной температуре. Исследователи затем наносили суспензию на различные металлические поверхности, стекло, бумагу, резину и хлопок, а также тестировали механические свойства самого материала.

Из-за своей геометрии, микрочастицы оксида цинка в композите оказались на достаточно большом расстоянии друг от друга: плотность материала составила около одной десятой грамма на кубический сантиметр, что в 56 раз меньше плотности порошка оксида цинка. В результате сформировалась пористая структура с игольчатой поверхностью, почти полностью покрытая полидиметилсилоксаном. 

Краевой угол смачивания был больше 150 градусов, когда массовая доля оксида цинка превышала 50 процентов, однако гибкость материала ухудшалась. Поэтому авторы решили, что для достижения как хорошей гидрофобности, так и высокой упругости, оптимальное соотношение полимера и микрочастиц должно быть один к одному.

Материал оказался механически устойчивым к трению и сохранял супергидрофобные свойства даже после разреза, нанесения царапин, скручиваний, сгибаний. По словам авторов, упругость обеспечивал полимер в составе композита, в то время как неорганическая структура практически не изменялась (только иглы оксида цинка оказывались на поверхности). Термический анализ материала показал, что он мог сохранять свою гибкость в интервале температур от -30 до 110 градусов Цельсия.

По словам авторов, новый, простой в изготовлении, гидрофобный даже в деформированном состоянии материал пригодится для создания пленок, пластин или монолитных изделий любых форм.

Супергидрофобные материалы применяют для защиты от обледенения, создании водоотталкивающих материалов, но также они полезны в осуществлении процессов передачи тепла или охлаждения. В прошлом году ученые нашли способ повысить эффективность передачи тепла от подобной поверхности к кипящей жидкости. 

Алина Кротова