Армирование защитило супергидрофобные материалы от абразива

Китайские и финские материаловеды повысили стабильность наноструктурированных супергидрофобных материалов, добавив к ним армирующие пирамидальные микроструктуры. Таким образом можно сделать супергидрофобной поверхность металлов, кремния, стекла и керамики, и супергидрофобные свойства сохраняются даже после 1000 циклов абразивной обработки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Супергидрофобными называют поверхности с краевым углом смачивания водой более 150 градусов. Такие материалы всегда остаются сухими, не заселяются микроорганизмами, а также могут самоочищаться, что делает их очень привлекательными для использования в медицине и технике. Супергидрофобность достигается за счет сочетания сильного поверхностного натяжения на границе жидкость-твердое тело, а также за счет текстурирования поверхности, которое минимизирует площадь контакта с жидкой фазой. Текстурирующие наноструктуры (крошечные шероховатости поверхности) очень хрупки, поэтому супергидрофобные материалы быстро теряют свои свойства под различными механическими воздействиями.

Сюй Денг (Xu Deng) из Китайского Университета электронных наук и технологий и Робин Рас (Robin H. A. Ras) из Университета Аальто в Финляндии вместе со своими коллегами сумели сделать супергидрофобные материалы механически стабильными. Для этого они текстурировали поверхность на двух уровнях, добавив к обеспечивающим гидрофобность наноструктурам более крупные микроструктуры. Последние должны были служить своеобразной броней, предохраняющей хрупкие наноструктуры от механических воздействий.
Для того, чтобы, сделать материал прочным и в то же время не потерять в гидрофобности, нужно было правильно рассчитать геометрию армирующих микроструктур. Для оценки гидрофобности текстурированной поверхности авторы использовали соотношение Кассье-Бакстера

cos θ = f(1 + cos θ_y) − 1

Где θ — угол смачивания, f — доля контакта между твердым телом и жидкостью, а θ_y — юнговский краевой угол смачивания материала, который определяется из соотношения трех поверхностных энергий (твердое тело — жидкость, твердое тело — газ, и жидкость — газ). Параметр θ_y для каждого материала постоянен, в то время как f зависит от текстурирования: чем он меньше, тем более гидрофобной будет поверхность (если очень сильно текстурировать поверхность и уменьшить f, в некоторых случаях можно сделать гидрофобным даже изначально гидрофильный материал, правда такая поверхность будет очень нестабильной). Для микроструктуры в виде одинаковых геометрически правильных выступов, f будет уменьшаться с уменьшением угла наклона α боковой грани такого выступа к поверхности и достигнет максимума, когда выступ будет перпендикулярен (см. рисунок). В то же время уменьшение угла α сделает микроструктуру менее прочной. С помощью моделирования методом конечных элементов авторы установили, что оптимального соотношения прочности и гидрофобности можно добиться при наклоне грани выступа около 125 градусов.

После этого авторы попробовали несколько разных шаблонов микроструктурирования: квадратные пирамиды, инвертированные квадратные пирамиды, инвертированные треугольные пирамиды и инвертированные гексагональные пирамиды. На кремниевые подложки сначала наносили маски методом фотолитографии, а затем последовательно травили их плавиковой кислотой и гидроксидом тетраметиламмония. На готовые микроструктуры сверху наносили наноструктурирующее гидрофобное покрытие — фторированные фрактальные нанокластеры кремния.

Все полученные материалы демонстрировали супергидрофобность с контактными углами от 160 до 170 градусов и лучшую стабильность по сравнению с неармированными материалами (покрытыми только фторированными нанокластерами кремния). Самыми стабильными оказались микроструктуры из инвертированных квадратных и гексагональных пирамид. Они сохраняли контактный угол более 150 градусов даже после царапания стальным лезвием и 1000 циклов абразивной обработки. Кроме того такие материалы выдержали высокую влажность, нагрев до 100 градусов Цельсия в течение шестнадцати суток и обработку концентрированным раствором щелочи, также оставаясь супергидрофобными.

С помощью нового метода можно стабилизировать гидрофобное покрытие на самых различных материалах. Помимо кремния авторы протестировали керамику, стекло и различные металлы: цинк, медь, железо и алюминий — для них микроструктуры наносятся не травлением, а методом чеканки. Стекло после текстурирования сохраняет прозрачность и из него можно изготавливать покрытия для защиты от пыли и влаги — например, авторы протестировали новый материал, сделав из него самоочищающееся покрытие для солнечных батарей.

Создавая гидрофобные и супергидрофобные материалы, ученые нередко заимствуют идеи у природы. Например, в прошлом году японские химики разработали прочный и эластичный супергидрофобный материал, по структуре напоминающий кожу рыбы-ежа, а два месяца назад вышла работа, описывающая гидрофобные и бактерицидные свойства крыльев цикад.
Наталия Самойлова